Wat is anti-aliasing? 6 verschillende soorten en methoden

Om anti-aliasing te begrijpen, moeten we eerst het concept van aliasing begrijpen.

Mogelijk hebt u tijdens het kijken naar video's of het spelen van videogames gepixelde of gekartelde randen op uw scherm ervaren. Deze ‘jaggies’ staan ​​bekend als aliasing. Het verlaagt de algehele kijkervaring.

Maar waarom vindt aliasing plaats?

De afbeeldingen die op het scherm worden weergegeven, zijn gemaakt van kleine vierkantjes die pixels worden genoemd. Elke pixel, het kleinste regelbare element van een afbeelding, heeft zijn eigen intensiteit en kleur. Verticale en horizontale lijnen kunnen precies op vierkante pixels worden afgebeeld, maar gebogen lijnen of afbeeldingen van hoek tot hoek moeten punt-tot-punt worden aangepast. Wanneer pixels langs de rand aan of uit staan, resulteert dit in gekartelde randen (aliasing of traptreden).

De voor de hand liggende oplossing om aliasing te voorkomen, is om uw schermresolutie te verhogen, maar niet iedereen kan zich een hoogwaardige monitor veroorloven. Daarom hebben ingenieurs verschillende technieken ontwikkeld om de impact van rafels op het scherm te verminderen. Een van deze effectieve technieken is anti-aliasing.

Wat is anti-aliasing?

Anti-aliasing is een techniek waarbij de randen van de pixels worden vermengd met de omringende pixels om de illusie van een gladdere rand te creëren. Dit is niet zo eenvoudig als het klinkt:u vertelt uw computer om miljoenen pixels per frame te verwerken en de randen vloeiender te maken.

De CPU/GPU maakt de randen glad door de kleuren langs alle randen aan te passen. In plaats van de pixel aan of uit te zetten, plaatst de processor hem ergens tussenin. Een witte diagonale lijn op een zwarte achtergrond kan bijvoorbeeld donker- en lichtgrijs langs de randen hebben in plaats van wit en zwart.

Ingezoomde afbeelding van aliased vs. anti-aliased line 

Anti-aliasing-algoritmen zijn ontworpen om digitale foto's er natuurlijk uit te laten zien vanaf een bepaalde afstand. Wanneer ingezoomd, zien anti-aliased tekst en afbeeldingen er wazig uit vanwege de aangepaste pixels.

Naast digitale fotografie en computergraphics wordt anti-aliasing ook veel gebruikt in digitale audio (om ongewenste frequenties uit gesamplede audio te verwijderen). In dit overzichtsartikel hebben we ons op het eerste gericht.

Jaggies zijn niet merkbaar op moderne HiDPI-schermen (high dots per inch), omdat ze dichtere pixelrasters hebben die afbeeldingen scherper kunnen weergeven. Maar zelfs deze schermen met hoge resolutie profiteren van anti-aliasing.

Er bestaan ​​verschillende soorten anti-aliasingtechnieken om de kijk- en game-ervaring beter en meeslepender te maken. Elk heeft zijn eigen voordelen en tekortkomingen. Laten we de acht meest populaire soorten anti-aliasing in detail bespreken.

1. Supersampling anti-aliasing (SSAA)

Voor (links) en na (rechts) het toepassen van SSAA 

Biedt uitzonderlijke beeldkwaliteit, maar verslechtert de prestaties 

Supersaming Anti-Aliasing (SSAA), ook bekend als Full-Scene Anti-Aliasing (FSAA), is een van de oudste en meest effectieve ruimtelijke technieken. Het is perfect voor het verwerken van fotorealistische afbeeldingen omdat het de afbeelding zachter maakt en er levensechter uitziet.

Bij deze methode wordt de weergegeven afbeelding met een veel hogere resolutie weergegeven. Er worden kleurstalen genomen van overtollige pixels die niet aanwezig waren in de afbeelding met lage resolutie, en de gemiddelde kleurwaarde wordt gemeten.

Wanneer de afbeelding wordt verkleind, wordt de gemiddelde waarde toegepast om rafels te verwijderen. Dit geeft een gedownsampled beeld met veel vloeiendere overgangen. De kwaliteit van de uitvoer hangt af van het aantal kleurstalen:hoe hoger het aantal voorbeelden, hoe hoger de kwaliteit.

Hoewel deze techniek een uitstekende beeldkwaliteit biedt, verslechtert het de prestaties omdat het renderen van afbeeldingen met een hoge resolutie veel computerbronnen kost. Dit is de reden waarom het niet meer veel wordt gebruikt in gaming.

Een ander nadeel van het gebruik van deze methode is dat het een negatief effect heeft op afbeeldingen met veel verticale of horizontale lijnen. Bij verwerking lijken deze lijnen (die van nature scherp zijn) zacht.

2. Multisample anti-aliasing (MSAA)

Bron afbeelding:Nvidia 

Vereist relatief minder rekenkracht, maar produceert afbeeldingen van lagere kwaliteit

Multisample anti-aliasing is een speciaal geval van supersampling waarbij bepaalde componenten van de afbeelding niet volledig worden gesupersampled. Alleen de randen van de polygoon (de meest voorkomende bron van aliasing in 3D-afbeeldingen) zijn anti-aliasing. Texturen worden niet gladgestreken.

Meer specifiek, wanneer CPU/GPU een afbeelding op het scherm weergeeft, maakt het onderscheid tussen twee verschillende componenten:een polygoon en een textuur. De CPU/GPU tekent eerst de algemene vorm of omtrek van een object (polygoon) en vult het vervolgens met een textuur. MSAA past alleen rafels op de polygoon aan en laat de texturen zoals ze zijn.

Aangezien MSAA niet alle delen van het uiteindelijke beeld verwerkt, is het efficiënter en vereist het minder rekenkracht dan SSAA. Het produceert echter afbeeldingen van relatief lagere kwaliteit en kan niet omgaan met transparanten.

3 &4. Dekking Sampling Anti-aliasing (CSAA) &Enhanced Quality Anti-Aliasing (EQAA)

MSAA (links) vs. CSAA (rechts) [strakkere randresolutie in CSAA] 

Beide bieden betere kwaliteit terwijl ze slechts een minimale prestatiehit introduceren 

GPU-fabrikanten AMD en NVIDIA hebben hun eigen ruimtelijke anti-aliasingmethoden ontwikkeld. NVIDIA heeft CSAA gemaakt en AMD heeft EQAA gemaakt. Hoewel ze verschillende namen hebben, werken ze op een vergelijkbare manier.

Bij beide methoden identificeert GPU de polygoon in de afbeelding en berekent welke regio's van de polygoon waarschijnlijk rafels hebben. Het supersample dan alleen die pixels.

Omdat de volledige afbeelding niet wordt verwerkt, heeft de GPU aanzienlijk minder verwerkingskracht nodig om te worden uitgevoerd. Bovendien hebben zowel CSAA als EQAA geen extra kleur-/diepte-/stencilmonsters nodig. Ze verbruiken dus hetzelfde videogeheugen als MSAA (in equivalente modus).

5 &6. Morfologische anti-aliasing (MLAA) en snelle benadering anti-aliasing (FXAA)

Implementatie van de FXAA-methode (stapsgewijs proces van links naar rechts, van boven naar beneden) | Krediet:NVIDIA

Snel, vereist minder rekenkracht, maar niet geschikt voor afbeeldingen met gedetailleerde texturen

NVIDIA en AMD hebben twee post-process anti-aliasing technieken ontwikkeld die bekend staan ​​als respectievelijk snelle benaderende anti-aliasing en morfologische anti-aliasing. Beide werken op dezelfde manier:de pixel wordt wazig nadat deze is weergegeven.

Bij anti-aliasingmethoden na het proces vergelijkt de GPU het kleurcontrast tussen twee aangrenzende pixels om te bepalen waar de rand van een polygoon zich bevindt. Pixels met dezelfde kleur en intensiteit maken meestal deel uit van dezelfde polygoon. Zodra de rand is gedetecteerd, vervaagt de GPU de pixels in verhouding tot hun contrast.

In tegenstelling tot MSAA, dat niet werkt voor uitgestelde weergave, kunnen MLAA en FXAA randen in de afbeelding nauwkeurig detecteren en vervolgens specifieke patronen hierin lokaliseren. Beide zijn erg snel en vereisen minder rekenkracht dan de ruimtelijke methode. 'Blurring' is bewezen effectief, omdat het het sterke contrast tussen vreemd uitgelijnde pixels die rafels veroorzaken, wegneemt. Onscherpte kan echter gemakkelijk worden opgemerkt in foto's met dynamische bliksemfuncties en gedetailleerde texturen.

7. Verbeterde subpixel-morfologische anti-aliasing (SMAA)

Voorbeeld van SMAA 4x geïntegreerd in de Crysis 2-game

Combineert zowel ruimtelijke als post-process antialiasing-methoden

Deze anti-aliasingtechniek voor nabewerking combineert morfologische anti-aliasing (MLAA) met aanvullende multi/supersampling-strategieën (MSAA, SSAA) voor nauwkeurige subpixelfuncties.

SMAA levert een betere beeldkwaliteit op met behoud van uitzonderlijk snelle uitvoeringstijden. Meer specifiek levert het zeer nauwkeurige hellingen en temporele stabiliteit terwijl het minimale overhead introduceert. Dit maakt het een voorkeurskeuze voor low-end configuraties.

8. Tijdelijke anti-aliasing (TXAA)

Biedt een betere beeldkwaliteit dan FXAA of MLAA, maar vereist veel meer rekenbronnen 

Deze complexe methode maakt gebruik van zowel vervaging als supersampling om scherpe afbeeldingen en sierlijke bewegingen te maken. Met andere woorden, het is bedoeld om een ​​soepel bewegingsniveau in een virtuele omgeving te behouden.

De afgelopen jaren hebben onderzoekers Adaptive Temporal Anti-aliasing (ATAA) ontwikkeld, dat de tekortkomingen van TXAA aanpakt. Het elimineert bijvoorbeeld vervaging en ghosting-artefacten zonder een significante prestatiehit te introduceren. ATAA-resultaten liggen dicht bij wat 16x supersampling zou kunnen bieden.

Lezen:18 beste videobewerkingssoftware | Zowel gratis als betaald

Welke anti-aliasingmethode moet u gebruiken?

Als u een goed begrip heeft van de hardware die u gebruikt en weet wat voor soort prestaties u van uw machine wilt hebben, dan is het gemakkelijker om te beslissen welke anti-aliasingtechniek het beste voor u is.

De volgende vragen zullen u helpen de juiste beslissing te nemen:

• Wat zijn je GPU-specificaties?
• Hoe zwaar of grafisch veeleisend zijn uw games?
• Welke grafische functies wil je perfect hebben, en welke vind je niet belangrijk?

Als je krachtige/high-tier gaming-apparatuur hebt, moet je gaan voor SSAA, MSAA en TXAA. Als je een redelijk krachtige CPU/GPU hebt, kun je MSAA, FXAA of MLAA selecteren. En als je gaminghardware van een lager niveau hebt, die hoge framesnelheden niet aankan en vatbaar is voor oververhitting, zou je de voorkeur moeten geven aan CSAA of SMAA.

U kunt ook experimenteren met uw grafische instellingen om erachter te komen wat uw CPU/GPU aankan. Er zijn tientallen parameters om aan te passen, zoals resolutie, schaduwkwaliteit, gezichtsveld, kijkafstand, textuur en anisotrope filtering.

Het is raadzaam om met de laagst mogelijke configuratie te beginnen en vervolgens naar hogere, gedetailleerde niveaus te gaan. Hoewel het een behoorlijk vervelende taak is, is het de eenvoudigste manier om erachter te komen hoe u de beste game-ervaring op uw computer kunt krijgen.

Gezien de recente ontwikkelingen op het gebied van grafische verwerkingseenheden en weergavetechnologie, is het echter niet de moeite waard om je zorgen te maken over anti-aliasing. Voor nieuwere videogames en afbeeldingen met ultrahoge resolutie is anti-aliasing helemaal niet nodig.

Lees:22 fascinerende feiten over videogames | Statistieken en verhalen

Het is nog steeds een goed idee om kennis op te doen over verschillende soorten anti-aliasing, zodat u weloverwogen beslissingen kunt nemen over het balanceren van de beelden en prestaties van uw volgende desktop. De informatie zou ook handig zijn als je ooit besluit professionele video's te bewerken of je eigen game te ontwikkelen.