AntiAliasSummary

抗锯齿算法总结

图像锯齿根据成因大致可分为两类:

几何锯齿
着色锯齿

几何锯齿是由于在光栅化阶段，受成像分辨率所限，导致几何体的边缘呈锯齿状。

而着色锯齿则是在ps阶段，由于渲染引起的物体表面色彩高频变化。

这里罗列以下常见的游戏当中的抗锯齿技术:

SSAA
MSAA
SMAA
FXAA
TAA

1. SSAA(Super Sample Anti Aliasing)

以高分辨率渲染，然后再降分辨率输出。

例如目标屏幕分辨率为600x800，那么先以1200x1600分辨率渲染，然后DownSample到600x800，如此一来，屏幕上的单个像素最终由2x2个像素混合而成，因此起到抗锯齿效果。

优势:

效果好

劣势:

性能开销巨大。
显存、带宽占用均消耗很大

2. MSAA

具体可以参考[1]这篇文章，介绍的比较详细。这里简单总结如下:

在一个像素内部生成若干采样点
针对采样点进行覆盖测试和深度测试
一个像素至多运行一次片段着色(假如有内部采样点通过测试)
将颜色复制给通过测试的采样点
对所有采样点进行混合(Resolve)，得到像素最终颜色。

优势:

硬件支持
片段着色保持X1不变(一个像素只执行一次PS)

劣势:

显存占用同SSAA
只能处理几何走样，无法处理Shading走样、AlphaTest走样等等
难以兼容延迟渲染
对于一些复杂的几何场景，开销可能会高于基于后处理的一些AA算法

3. SMAA

SMAA是MLAA的GPU优化版本(MLAA是纯CPU抗锯齿)，因此两者的思路是一致的。 SMAA属于图像后处理抗锯齿算法。其原理可以概述如下:

通过算法判定当前像素是否为边缘
- 这里可以是基于亮度的、或者depth的、或者normal+objectInstanceId的。
- 这作为单独的一个Pass，将生成一张EdgeTexture
针对边缘像素，往边缘两侧(MainDirection)搜索直到尽头，得到两个端点。在端点处，往交叉方向(Cross Direction)采样，以确定锯齿形态，总共24种锯齿形态。根据锯齿形态，来计算权重贴图。这是第二个Pass。
- 为了加速计算过程，会使用一张预生成的AreaTex。
根据权重贴图，与周边像素进行混合。这是第三个Pass。

英文原版可以参考此篇: [6] Jorge Jimenez, Subpixel-Morphological-Anti-Aliasing, 2011

或者中文Blog可以参考此篇: https://www.qiujiawei.com/antialiasing/

4. FXAA(Fast Approximate Anti-Aliasing)

FXAA是SMAA的简化版本。主要的理论方向是一致的，但是不会那么细致的去区分各种锯齿形态。其在边缘判定和形态判定算法上做了一定的简化，仅需一个Pass即可。牺牲一定的效果以获得性能的提升。详细的FXAA理论技术分析请参考此篇: FXAA算法演义

优势:

显存占用低
无硬件要求
可以处理Shading引起的走样
性能开销固定

劣势:

由于FXAA对所有颜色边缘进行柔化，会导致无差别的模糊

使用FXAA有如下的注意点:

在HDR模式下,FXAA必须在ToneMap到LDR空间后再进行
如果渲染计算是在线性颜色空间进行，那么FXAA必须在转到sRGB空间后再进行

关于第1点，[3]中描述如下:

For example a 0.0 intensity pixel and a 16.0 intensity pixel will average to a 8.0 intensity pixel which later might get tone-mapped to 1.0 intensity. (which results in no blend between the two pixels).

这个不难理解，因为HDR到LDR的映射不是线性的。因此即便在HDR空间进行反走样计算，在ToneMap后依然会失去"平均"的效果。

关于第2点，[3]中描述如下:

FXAA requires the non-linear (perceptually encoded) RGB input and texture filtering: as a performance optimization, the algorithm’s end-of-edge search step samples halfway between a pair of texels, and it is important that the fetch returns the perceptual blend of the two texels instead of the linearly correct blend.