O que é anti-aliasing? 6 tipos e métodos diferentes

Para entender o anti-aliasing, primeiro precisamos entender o conceito de aliasing.

Você pode ter percebido bordas pixeladas ou irregulares na tela enquanto assistia a vídeos ou jogava videogames. Esses ‘serrilhados’ são conhecidos como aliasing. Reduz a experiência geral de visualização.

Mas por que ocorre o aliasing?

As imagens exibidas na tela são feitas de pequenos quadrados conhecidos como pixels. Cada pixel, o menor elemento controlável de uma imagem, tem sua própria intensidade e cor. As linhas verticais e horizontais podem ser mapeadas com precisão em pixels quadrados, mas as linhas curvas ou imagens de canto a canto devem ser ajustadas ponto a ponto. Quando os pixels ao longo da aresta estão desativados ou ativados, isso resulta em arestas irregulares (serrilhado ou degrau).

A solução óbvia para evitar o aliasing é aumentar a resolução da tela, mas nem todas as pessoas podem comprar um monitor de última geração. É por isso que os engenheiros desenvolveram várias técnicas para reduzir o impacto dos jaggies na tela. Uma dessas técnicas eficazes é o anti-aliasing.

O que é anti-aliasing?

Anti-aliasing é uma técnica de mesclar as bordas dos pixels com os pixels adjacentes para criar a ilusão de uma borda mais suave. Isso não é tão simples quanto parece:você está dizendo ao computador para processar milhões de pixels em cada quadro e tornar as bordas mais suaves.

A CPU / GPU suaviza as bordas ajustando as cores ao longo de todas as bordas. Em vez de ligar ou desligar o pixel, o processador o coloca em algum lugar no meio. Por exemplo, uma linha diagonal branca em um fundo preto pode ter tons de cinza escuro e claro ao longo das bordas, em vez de branco e preto.

Imagem ampliada da linha com alias vs. linha com suavização

Os algoritmos de anti-aliasing são projetados para fazer com que as imagens digitais pareçam naturais quando vistas de uma certa distância. Quando ampliado, o texto e as imagens com suavização de borda aparecem indistintos devido aos pixels ajustados.

Além da fotografia digital e da computação gráfica, o anti-aliasing também é amplamente usado em áudio digital (para remover frequências indesejadas do áudio amostrado). Neste artigo de visão geral, nos concentramos no primeiro.

Jaggies não são perceptíveis nas telas modernas HiDPI (pontos altos por polegada) porque têm grades de pixels mais densas que podem representar as imagens de forma mais nítida. No entanto, mesmo essas telas de alta resolução se beneficiam do anti-aliasing.

Existem diferentes tipos de técnicas de anti-aliasing para tornar a experiência de visualização e jogo melhor e mais envolvente. Cada um tem seus próprios benefícios e deficiências. Vamos discutir os oito tipos mais populares de suavização de serrilhado em detalhes.

1. Superamostragem Anti-Aliasing (SSAA)

Antes (esquerda) e depois (direita) da aplicação de SSAA

Oferece qualidade de imagem excepcional, mas prejudica o desempenho

Também conhecido como Full-Scene Anti-Aliasing (FSAA), Supersaming Anti-Aliasing (SSAA) é uma das técnicas espaciais mais antigas e eficazes. É perfeito para processar imagens fotorrealistas porque dá à imagem uma aparência mais suave e a torna mais realista.

Nesse método, a imagem exibida é renderizada em uma resolução muito mais alta. Amostras de cores são retiradas de pixels em excesso que não estavam presentes na imagem de baixa resolução e o valor médio da cor é medido.

Quando a imagem é reduzida, o valor médio é aplicado para remover serrilhados. Isso fornece uma imagem com resolução reduzida com transições muito mais suaves. A qualidade da saída depende do número de amostras de cores:quanto maior o número de amostras, maior a qualidade.

Embora essa técnica forneça excelente qualidade de imagem, ela degrada o desempenho porque renderizar imagens em alta resolução consome muitos recursos de computação. É por isso que não é mais amplamente usado em jogos.

Outra desvantagem de usar esse método é que ele afeta negativamente as imagens que têm muitas linhas verticais ou horizontais. Quando processadas, essas linhas (que são nítidas por natureza) parecem suaves.

2. Anti-Aliasing de Multisample (MSAA)

Fonte da imagem:Nvidia

Requer relativamente menos recursos computacionais, mas produz imagens de qualidade inferior

O anti-aliasing multisample é um caso especial de superamostragem, onde certos componentes da imagem não são totalmente superamostrados. Apenas as bordas do polígono (a fonte mais comum de serrilhado em gráficos 3D) têm suavização de serrilhado. As texturas não são suavizadas.

Mais especificamente, quando a CPU / GPU renderiza uma imagem na tela, faz uma distinção entre dois componentes diferentes:um polígono e uma textura. A CPU / GPU primeiro desenha a forma geral ou contorno de um objeto (polígono) e então o preenche com uma textura. O MSAA ajusta apenas os recortes no polígono, deixando as texturas como estão.

Como o MSAA não processa todas as partes da imagem final, é mais eficiente e requer menos recursos computacionais do que o SSAA. No entanto, ele produz imagens de qualidade relativamente inferior e não pode lidar com transparências.

3 e 4. Coverage Sampling Antialiasing (CSAA) e Enhanced Quality Anti-Aliasing (EQAA)

MSAA (esquerda) vs. CSAA (direita) [resolução de borda mais estreita em CSAA]

Ambos fornecem melhor qualidade enquanto apresentam apenas um impacto mínimo no desempenho

Os fabricantes de GPU AMD e NVIDIA desenvolveram seus próprios métodos de anti-aliasing espacial. NVIDIA criou CSAA e AMD criou EQAA. Embora tenham nomes diferentes, eles funcionam de maneira semelhante.

Em ambos os métodos, a GPU identifica o polígono na imagem e calcula quais regiões do polígono provavelmente têm recortes. Em seguida, ele sobrescreve apenas esses pixels.

Como a imagem inteira não é processada, a GPU consome muito menos capacidade de processamento para funcionar. Além disso, tanto o CSAA quanto o EQAA não requerem amostras adicionais de cor / profundidade / estêncil. Portanto, eles consomem a mesma memória de vídeo que o MSAA (no modo equivalente).

5 e 6. Anti-Aliasing Morfológico (MLAA) e Anti-Aliasing Aproximado Rápido (FXAA)

Implementação do método FXAA (processo passo a passo da esquerda para a direita, de cima para baixo) | Crédito:NVIDIA

Rápido, requer menos recursos computacionais, mas não é adequado para imagens com texturas detalhadas

A NVIDIA e a AMD desenvolveram duas técnicas de anti-aliasing pós-processamento conhecidas como anti-aliasing aproximado rápido e anti-aliasing morfológico, respectivamente. Ambos funcionam da mesma maneira - o pixel fica borrado após ser renderizado.

Nos métodos de anti-aliasing pós-processamento, a GPU compara o contraste de cor entre dois pixels adjacentes para determinar onde está a borda de um polígono. Pixels com cor e intensidade semelhantes geralmente fazem parte do mesmo polígono. Uma vez que a borda é detectada, a GPU desfoca os pixels na proporção de seu contraste.
Ao contrário do MSAA, que não funciona para renderização adiada, o MLAA e o FXAA podem detectar com precisão as bordas da imagem e, em seguida, localizar padrões específicos nelas. Ambos são muito rápidos e requerem menos recursos computacionais do que o método espacial. 'Blurring' tem se mostrado eficaz, pois remove o contraste gritante entre pixels estranhamente alinhados que causam serrilhados. No entanto, a desfocagem pode ser facilmente percebida em imagens com recursos dinâmicos de iluminação e texturas detalhadas.

7. Anti-aliasing morfológico de subpixel aprimorado (SMAA)

Exemplo de SMAA 4x integrado ao jogo Crysis 2

Combina métodos de antialiasing espacial e pós-processamento

Esta técnica de anti-aliasing de pós-processamento combina anti-aliasing morfológico (MLAA) com estratégias adicionais de multi / superamostragem (MSAA, SSAA) para recursos precisos de subpixel.

SMAA produz melhor qualidade de imagem, mantendo tempos de execução excepcionalmente rápidos. Mais especificamente, ele oferece gradientes muito precisos e estabilidade temporal, ao mesmo tempo que apresenta sobrecarga mínima. Isso o torna a escolha preferida para configurações de baixo custo.

8. Anti-aliasing temporal (TXAA)

Oferece melhor qualidade de imagem do que FXAA ou MLAA, mas requer muito mais recursos computacionais

Este método complexo utiliza desfoque e superamostragem para construir gráficos nítidos e movimentos graciosos. Em outras palavras, o objetivo é manter um nível uniforme de movimento em um ambiente virtual.

Nos últimos anos, os pesquisadores desenvolveram o Adaptive Temporal Anti-aliasing (ATAA), que trata das deficiências do TXAA. Por exemplo, elimina artefatos borrados e fantasmas sem introduzir um impacto significativo no desempenho. Os resultados do ATAA estão próximos do que a superamostragem de 16x pode fornecer.

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Qual método anti-aliasing você deve usar?

Se você tem um bom conhecimento do hardware que está usando e sabe que tipo de desempenho deseja de sua máquina, será mais fácil decidir qual técnica de anti-aliasing é a melhor para você.

As perguntas a seguir o ajudarão a tomar a decisão certa:

• Quais são as suas especificações de GPU?
• Quão pesados ​​ou graficamente exigentes são seus jogos?
• Quais recursos gráficos você deseja que sejam perfeitos e com quais você não se importa?

Se você tem equipamento de jogo poderoso / de alto nível, deve escolher SSAA, MSAA e TXAA. Se você tiver uma CPU / GPU com potência moderada, poderá selecionar MSAA, FXAA ou MLAA. E se você tiver hardware de jogos de nível inferior, que não pode lidar com altas taxas de quadros e está sujeito a superaquecimento, você deve preferir CSAA ou SMAA.

Você também pode experimentar suas configurações de gráficos para descobrir o que sua CPU / GPU é capaz de lidar. Existem dezenas de parâmetros a serem ajustados, como resolução, qualidade da sombra, campo de visão, distância de visualização, textura e filtragem anisotrópica.

É aconselhável começar com a configuração mais baixa possível e depois passar para níveis mais altos e detalhados. Embora seja uma tarefa entediante, é a maneira mais simples de descobrir como obter a melhor experiência de jogo em sua máquina.

No entanto, considerando os avanços recentes em unidades de processamento gráfico e tecnologia de exibição, realmente não vale a pena se preocupar com o anti-aliasing. Na verdade, os videogames mais recentes e as imagens de resolução ultra-alta não exigem anti-aliasing.

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Ainda é uma boa ideia adquirir conhecimento sobre os diferentes tipos de anti-aliasing para que você possa tomar decisões informadas sobre como equilibrar o visual e o desempenho de sua próxima área de trabalho. A informação também seria útil se você decidir editar vídeos profissionais ou desenvolver seu próprio jogo.