Что такое smaa в играх
SMAA: улучшенное субпиксельное морфологическое сглаживание
Данная статья основана на журнале Хорхе Хименеса, Хосе Эчеварриа, Тиаго Соуса и Диего Гутьерреса.
Старые способы сглаживания (антиалиасинга)
Современные способы сглаживания
Существует множество современных основанных на фильтрации методов, которые хорошо справляются со своей работой, несмотря на то, что уступают двум перечисленным выше. FXAA, DEAA, GPAA, GBAA, CSAA, EQAA, DLAA… В этой статье мы поговорим о SMAA, и о его предшественнике — MLAA. Эти современные основанные на фильтрации методы имеют собственные проблемы:
Морфологическое сглаживание (Morphological Antialiasing, MLAA)
MLAA пытается оценить покрытие исходной геометрии. Для точной растеризации сглаженного треугольника необходимо вычислить площадь покрытия каждого пикселя внутри треугольника, чтобы правильным образом смешать его с фоном. MLAA начинает с изображения без сглаживания, а затем обращает процесс вспять, векторизируя силуэты, чтобы вычислить покрываемые ими площади. Поскольку фон после растеризации узнать нельзя, MLAA затем смешивает его с соседом, предполагая, что его значение близко к значению исходного фона. Другими словами, алгоритм распознаёт границы (с помощью информации о цвете или глубине), а затем обнаруживает в них конкретные паттерны. Сглаживание обеспечивается интеллектуальным смешиванием пикселей в границах. MLAA имеет реализации на DirectX 10 и Mono Game (XNA). Он честно реализован в таких играх, как Fable II. Создатели MLAA позже создали SMAA, или Enhanced Subpixel Morphological Antialiasing (усовершенствованное субпиксельное морфологическое сглаживание), которое является основной темой данной статьи.
Enhanced Subpixel Morphological Antialiasing (SMAA)
Сравнение SMAA и других методов в Crysis 2
SMAA обеспечивает надёжное распознавание краёв, а также простой и эффективный способ обработки острых геометрических элементов и диагональных линий. Кроме того, SMAA не изменяет форму геометрии, как это делают многие другие методы.
Вверху — AA нет; в середине — MLAA; внизу — SMAA
SMAA построен на конвейере MLAA, и улучшает или переосмысливает каждый его этап. В частности, распознавание краёв улучшено благодаря использованию информации о цвете вместе с адаптацией локального контраста для создания более чётких краёв. Метод расширяет количество паттернов, используемых для сохранения резких геометрических элементов и диагоналей. Наконец, он показывает, как морфологическое сглаживание можно точно скомбинировать с мультисемплингом или суперсемплингом и временной репроекцией.
Распознавание краёв
Распознавание краёв — важнейший этап, потому что нераспознанные края остаются искажёнными. С другой стороны, слишком большое количество краёв с фильтрацией снижает качество сглаженного изображения. Для распознавания края может использоваться различная информация: цветность, яркость, глубина, нормаль поверхности и их сочетание. SMAA по четырём причинам использует яркость (luma):
Слева и в центре: другие методы распознавания краёв, приводящие к появлению красных пересечений и артефактов; справа: совершенно чёткие края SMAA
Запомните это изображение. Вот как работает распознавание краёв: окончательное вычисленное значение — это булево значение, называемое граница левого края. Аналогичным образом вычисляются булевы значения для верхнего края. Формула:
0.5.c_
Все значения c называются дельтами контраста.
Обработка паттернов
Распознавание паттернов SMAA позволяет сохранять резкие геометрические элементы, например, углы, обрабатывает диагонали и обеспечивает точный поиск расстояний.
Острые геометрические элементы: ревекторизация силуэтов в MLAA склонна к скруглению углов. Чтобы избежать этого, SMAA использует наблюдение о том, что пересечение краёв в линиях контуров имеет максимальный размер один пиксель, а для острых углов эта длина скорее всего будет больше. Поэтому SMAA берёт пересекающиеся края длиной в два пикселя, что позволяет выполнять менее агрессивную обработку углов.
Диагональные паттерны: мы добавили совершенно новый способ распознавания диагональных паттернов. Он состоит из двух следующих этапов:
Точный поиск расстояний: ключом к распознаванию и классификации паттернов является получение точного расстояния края (длины до обоих концов линии). Для ускорения этого процесса MLAA активно применяет аппаратную интерполяцию. Аппаратную билинейную фильтрацию можно использовать для получения и кодирования до четырёх различных значений за одну операцию доступа к памяти. Эта линейная интерполяция двух двоичных значений (то есть билинейная), создающая одно значение с плавающей запятой, описываемое следующей формулой:
Где 
и 
— это два двоичных значения (0 или 1), а 
— значение интерполяции.
Результаты
MLAA работает с одним сэмплом на пиксель. Что приводится к субсемплированию, из-за которого реальные субпиксельные элементы воссоздать невозможно.
Сравнение MLAA с SMAA и отсутствием AA
Однако SMAA работает на субпиксельном уровне. Это приводит к следующему:
Какое сглаживание в играх лучше: DLSS, MSAA, TAA, FXAA или DMAA
В любой современной игре в настройках графики легко найти пункт «Сглаживание». Как работает эта функция, насколько она полезна и какой вариант сглаживания выбрать, если доступно несколько — разберём подробнее.
Содержание
Что такое сглаживание и для чего нужно
Для начала стоит немного рассказать о том, что такое алиасинг, чтобы понять, для чего нужно сглаживание. Дело в том, что графика дискретна — очевидно, пиксель либо закрашен полностью, либо нет. При построении сцены цвет каждого пикселя определяется тем, лежит ли в его центре часть какого-нибудь объекта или нет. Именно поэтому некоторые детали могут не отрисовываться, если они покрывают лишь четверть пикселя. А другие примитивы, наоборот, имеют слишком резкие переходы между парой пикселей, даже если сам предмет должен обладать плавными формами.
Иначе говоря, алиасинг — резкий переход между двумя или несколькими пикселями. Самые очевидные примеры алиасинга в играх — мерцание тонких объектов или текстур с мелкими деталями в движении и эффект ступенчатости на краях объектов.
Так вот, сглаживание, или же AA (Anti-Aliasing) — это способ устранения артефактов алиасинга, в том числе и тех самых «лесенок» на изображении. Оно позволяет сделать сцену в игре более реалистичной и приятной глазу, как в реальной жизни. Добиваются плавности как раз «смягчением» переходов между пикселями, заполняя соседние пиксели корректными оттенками.
Какие виды сглаживания в играх бывают
Количество методов сглаживания не так мало, как кажется на первый взгляд. Так как их очень много, обо всех рассказать сложно, поэтому я затрону наиболее распространённые и интересные из них.
Сами методы можно разделить на 2 категории: те, которые применяются во время рендеринга и те, которые применяются к уже построенному изображению (постпроцессинговые).
SSAA (Super Sampling Anti-Aliasing)
Также его называют методом избыточной выборки. Основан на принципах получения образцов цвета (сэмплов) сразу в 4 участках пикселя с последующим усреднением. Важное уточнение: для этого вместо одного пикселя рендерятся четыре, и уже после расчётов цвета они сжимаются обратно до одного. Кстати, необязательно должно использоваться именно четырёхкратное увеличение, это лишь один из самых распространённых типов алгоритма. Существует множество вариаций паттернов выборки: среди них ordered grid, rotated grid, jitter. Все они отличаются только расположением точек получения сэмплов и точностью результата. Иногда в настройках игры можно увидеть несколько видов SSAA, которые как раз будут отличаться паттернами. Самый простой — ordered grid (OGSSAA), остальные методы, как правило, эффективнее.
Существенным недостатком SSAA является его высокое требование к ресурсам — неудивительно, ведь по сути это рендеринг всей сцены в разрешении, превышающем нативное в несколько раз. Зато этот метод сглаживания один из самых эффективных и точных, правда, в современных AAA-проектах встречается не так часто.
DSR (Dynamic Super Resolution)
Владельцы видеокарт NVIDIA имеют возможность включить в «Панели управления NVIDIA» функцию под названием DSR. С этой технологией изображение в игре рендерится в большем разрешении, а затем масштабируется до нативного разрешения монитора. Результат оказывается близок к SSAA, за исключением того, что в DSR ещё накладывается фильтр размытия.
Как и метод избыточной выборки, DSR потребляет много ресурсов. Главный плюс использования этой функции — она поддерживается в большем количестве игр (хотя в некоторых могут возникать проблемы) и не требует внедрения разработчиком.
MSAA (MultiSample Anti-Aliasing)
Как и SSAA, MSAA делает выборку нескольких участков пикселя и усредняет цвет, но только на крайних пикселях объектов, а не на всей сцене, а значит, и ресурсов потребляет значительно меньше. Весьма распространён и даёт хороший результат. Из-за такой выборки проявляются и недочёты технологии — на стыках между двумя объектами изображение по-прежнему «острое», то же самое видно и на высокодетализированных, а также прозрачных текстурах. Ну и хоть оно менее ресурсозатратное, нежели SSAA, это всё ещё «тяжёлый» метод, сильно нагружающий видеокарту.
MSAA в играх встречается в нескольких типах: 2x, 4x, 8x, 16x. Число отражает количество выборок на пиксель. Чем оно выше, тем лучше результат, но сильнее нагрузка.
CSAA (Coverage Sampling Anti-Aliasing)
CSAA — это доработанный MSAA от компании NVIDIA. Он выдаёт результат, близкий к MSAA 8x или 16x, потребляя ресурсы на уровне MSAA 4x. Не углубляясь в детали, улучшение сглаживания достигается за счёт использования информации ещё и о соседних пикселях. Похожая технология от AMD называется EQAA (Enhanced Quality Anti-Aliasing). Обе технологии почти не встречаются в современных играх из-за того, что сейчас разработчики предпочитают использовать универсальные методы.
TAA (Temporal Anti-Aliasing)
TAA — популярный метод сглаживания, который часто используется во многих современных играх. Он берёт информацию о пикселях не только с текущего кадра, но и с предыдущего. За счёт этого TAA позволяет избавиться от эффекта мерцания, например, на тонких объектах. В целом, это довольно качественный метод, не уступающий MSAA, при этом потребляющий в разы меньше ресурсов. Недостатки тоже есть: изображение может быть слишком мыльным — разработчики пытаются исправлять это повышением резкости, но не всегда помогает. Кроме того, из-за того, что информация берётся с предыдущего кадра, возникает эффект гостинга (остаточного изображения) — вокруг движущихся объектов возникают «шлейфы».
FXAA (Fast approXimate Anti-Aliasing)
FXAA относится к постпроцессинговому типу сглаживания. Весьма дешёвый способ убрать алиасинг с небольшими потерями производительности. FXAA смешивает соседние пиксели на готовом изображении, заранее определяя контрастные переходы. Недостатком можно назвать излишнее сглаживание, из-за чего некоторые текстуры и далёкие предметы будут мыльными, но FXAA станет отличным выбором на слабых компьютерах, так как оказывает очень маленькое влияние на FPS.
MLAA (MorphoLogical Anti-Aliasing)
Постпроцессинговый метод, работает не на видеокарте, а на процессоре, в отличие от всех остальных методов. MLAA ищет резкие отличия в цветах, затем идентифицирует L-, Z- и U-образные паттерны в построенном изображении, после чего смешивает цвета пикселей в таких фигурах.
На движущихся объектах могут возникать артефакты, связанные с появлением и исчезновением отдельных пикселей. Это характерно почти для всех типов геометрического сглаживания, в том числе и для MLAA. На тонких объектах данный артефакт проявляется в виде мерцания.
MLAA даёт более точный результат, чем у FXAA, но и сам процесс более требователен к ресурсам. Впрочем, если имеется мощный процессор, то влияние на FPS в играх будет минимальное.
SMAA (Subpixel Morphological Anti-Aliasing)
SMAA — это смесь FXAA и MLAA, работающая на видеокарте. В отличие от MLAA, ищёт различия не в цветах, а в яркости пикселей. Кроме того, использует не только L-, Z- и U-образные паттерны, но ещё и диагональные.
Существуют разные типы SMAA:
Самый эффективный, как можно понять из описания, SMAA T4x, он же и самый прожорливый из этих вариантов. На скриншотах из Shadow of Tomb Raider заметно, как сильно меняется изображение при включении SMAA 1x, а вот разница между SMAA T2x и T4x есть, но она не такая существенная.
CMAA (Conservative Morphological Anti-Aliasing)
Как и предыдущие три, CMAA — это постпроцессинговый метод. Нагружает систему чуть больше, чем FXAA, но меньше, чем SMAA. В теории, CMAA обеспечивает куда более лучшую по качеству картинку, нежели примитивный FXAA, но это зависит от реализации: на примерах из DiRT Rally 2.0 отлично видно, что алгоритм не очень сильно влияет на сцену.
На двух изображениях выше сложно увидеть разницу, но она есть: отдалённые предметы более чёткие и с меньшим количеством лесенок. Особенно видно это на мелкой траве вдалеке, а также на дальних конусах.
CMAA исследует изображение на разрывы цветов, уточняет края фигур в конкретных участках, затем обрабатывает простые фигуры, причём только симметричные. Метод имеет повышенную временную стабильность в сравнении с SMAA и MLAA — за счёт этого в сцене меньше мерцаний.
DLSS (Deep Learning Super Sampling)
Сравнительно новая технология, на данный момент доступная только на видеокартах NVIDIA RTX. Очень эффективный метод, который при небольших требованиях к ресурсам выдаёт качественную картинку. Конечно, если речь идёт о DLSS 2.0 и 2.1 — первая итерация технологии была очень сырой и сильно «мылила» картинку.
Используя тензорные ядра, DLSS апскейлит отрендеренное в низком разрешении изображение за счёт использования глубокого машинного обучения. Такой подход позволяет добиться качества, сравнимого с рендером сцены в полноценном разрешении.
Конечно, технология всё ещё сыровата даже во второй версии, и иногда встречаются небольшие артефакты, но даже сейчас результат получается лучше, чем при использовании TAA. На картинке выше сравнивается DLSS и TAA. Издалека разницы нет, но при детальном рассмотрении видно, что с DLSS дальние объекты чётче, а рюкзак выглядит чуть мыльнее, но на нём нет лесенок.
Итог: какое сглаживание лучше выбрать
Технологий сглаживания действительно много, но каждая из них имеет право на существование. Какая же из них самая лучшая?
Типы сглаживания и их принудительное включение в играх
Содержание
Содержание
Любой хотя бы раз видел в игре настройку «Сглаживание», оно же Antialiasing. Это функция, позволяющая устранить эффект лесенки на краях объектов и сделать изображение менее пилообразным. Производители видеокарт создали немало различных методик, общее количество которых исчисляется десятками. Многие из них устарели и забыты, а некоторые используются до сих пор.
В этой статье мы рассмотрим все актуальные типы сглаживания в играх, проведем сравнение, а также научимся их использовать.
Типы сглаживания
В качестве образца будет использоваться игра Track Mania вкупе с Full HD разрешением монитора. Видеокарта GTX 1070. Первый скриншот «чистый», без сглаживания. Просматривать рекомендуется в полном размере.
FXAA (Fast approXimate Anti-Aliasing)
Метод сглаживания, который затрагивает всю картинку изображения на этапе пост-обработки, то есть перед самым ее выводом на экран. Имеет 9 степеней качества. Неплохо сглаживает геометрию. Не устраняет прерывистую лесенку пикселей, что хорошо видно на проводах в воздухе. Не добавляет детализации и мылит текстуры.
Имеет практически идентичный, но малоизвестный аналог MLAA, который работает за счет процессора, а не видеокарты. Сглаживание MLAA доступно в крайне ограниченном количестве игр, поэтому рассматриваться не будет.
SMAA (Subpixel Morphological Anti-Aliasing)
Продвинутое пост-сглаживание, основанное на FXAA и MLAA. Дает ощутимо лучший результат, но потребляет чуть больше ресурсов видеокарты. Имеет четыре степени качества.
Детализации также не добавляет, однако дает меньше паразитных искажений, лучше сглаживает геометрию и меньше мылит изображение.
MSAA (Multi-Sample Anti-Aliasing)
Метод основан на выборочном масштабировании объектов в более высоком разрешении. Текстуры при этом не затрагиваются. Добавляет детализацию на контурах, уменьшает рябь картинки в движении. На современных видеокартах практически не затрагивает производительность. Распространенный и предпочтительный тип сглаживания.
Когда в играх вы выбираете степень сглаживания x2, х4 или x8 подразумевается именно MSAA.
SSAA (Super-Sample Anti-Aliasing)
Самое лучшее, самое правильное и самое требовательное к производительности сглаживание. В отличие от MSAA происходит масштабирование всех возможных объектов, а также шейдеров и текстур.
При выборе настройки SSAA x 4 объект увеличивается в четыре раза с каждой стороны (вертикаль и горизонталь), что дает внутреннее разрешение 7680×4320 от изначального 1920×1080.
Очень хорошо сглаживает лесенку пикселей, улучшает внешний вид текстур. Объекты вдали приобретают реальную четкость. Рябь в играх полностью исчезает, что делает картинку реалистичной и более приятной для глаз. В некоторых играх регулируется процентным соотношением в виде ползунка (может называться «масштабирование разрешения»).
Такое сглаживание лучше использовать в старых играх, так как в современных будут просадки частоты кадров даже на самых мощных видеокартах.
К сожалению, далеко не все игры работают с SSAA сглаживанием, даже если попытаться включить его принудительно.
Иногда в настройках попадается SSAA x 0.5. При его использовании игровое разрешение уменьшается вчетверо (до 960×540), что ухудшает качество картинки, но дает прирост производительности.
DSR (Dynamic Super Resolution)
Технология от NVIDIA, позволяющая использовать разрешения, превышающие возможности вашего монитора. Максимальное значение x 4, что соответствует формату 2160p. По качеству немного превосходит SSAA x2.
И если SSAA работает с внутренним разрешением игры, то DSR запускает игру в настоящем 4К, которое затем даунскелится до родного разрешения монитора. Это дает возможность снимать видео и делать скриншоты в 3840×2160 на мониторе с меньшим разрешением.
Из минусов интерфейс в играх может стать очень мелким и нечитаемым, если игра не оптимизирована под масштабирование игровых элементов. Второй минус это смена чувствительности мыши, курсор будет двигаться медленнее, так как ему нужно пройти больше пикселей.
В отличие от прочих типов сглаживания, DSR можно активировать в любой игре, в которой есть возможность выбора поддерживаемых разрешений.
У AMD есть свой аналог, названный VSR (Virtual Super Resolution).
Единственное полезное значение это x4, дающее реально качественное сглаживание. На других значениях картинка мало того, что не сглаживается, так еще и становится более зубчатой.
Комбинации и ответвления
Производители частенько любят хитрить со сглаживанием, комбинируя методы. В качестве примера TXAA: на самом деле это всего лишь одновременная работа MSAA и FXAA низкого качества. Адаптивным сглаживанием называют SSAA + MSAA. Многокадровое сглаживание MFAA это просто надстройка для MSAA, призванная улучшить качество (через панель управление не заработала ни в одной игре).
Еще один известный тип сглаживания это CSAA, по сути тот же MSAA, но потребляющий чуть меньше ресурсов. Считается устаревшим и из новых видеокарт удален. Попытка принудительной активации приводит к вылету драйвера.
Грубо говоря, практически все сторонние типы сглаживания являются либо модификацией MSAA, либо комбинацией с использованием различных пост-эффектов.
Кстати, DSR и SSAA можно использовать одновременно. Track Mania в этом случае запускается в разрешении 16К (15360×8640), при 26 кадрах в секунду.
В итоге игра 2006 года почти «поставила на колени» GTX 1070. Ну а про игры типа Metro Redux и говорить нечего, всего 1-3 фпс.
Использование
FXAA
Для активации нам понадобится программа FXAA Tool.
В главном окне программы убираем галочку Pre Sharpen. Далее нажимаем кнопку «Add», программа попросит нас ввести имя профиля (можете написать любое), а затем необходимо указать путь к папке с игрой.
Переходим во вкладку «AntiAliasing». Двигая ползунок влево и вправо, мы изменяем баланс между производительностью и качеством. После того, как необходимый уровень выбран, нажимаем кнопку «Save». Теперь при каждом запуске игры сглаживание будет включаться автоматически. Чтобы его убрать достаточно в главном меню нажать кнопку «Remove».
SMAA
Для его использования необходимо скачать программу SweetFX.
Первым делом нажимаем кнопку Add new game и указываем путь на файл запуска игры (.exe).
В списке игр появится строчка с именем файла, щелкаем по ней один раз.
Нажимаем кнопку Add SweetFX.
Заходим в настройки SweetFX Injector settingsи выбираем желаемый уровень качества.
Лучше всего поставить SMAA_PRESET_HIGH. Нажимаем Save settings, а затем в главном окне Save new config.
Как и в случае с FXAA Tool при каждом запуске игры сглаживание будет включаться автоматически. Чтобы его убрать необходимо в главном меню нажать кнопку “Remove SweetFX”.
MSAA \ SSAA \ VSR (Radeon)
Новая панель управления от AMD максимально упрощена. Чтобы активировать VSR, нужно лишь нажать соответствующую кнопку в разделе «Дисплей». После этого в играх появятся новые доступные разрешения.
Активация MSAA и SSAA также не доставит никаких проблем. Переходим во вкладку «Игры» и изменяем несколько настроек.
Избыточная выборка — это SSAA, а множественная выборка — это MSAA.
MSAA \ SSAA \ DSR (GeForce)
Для включения DSR необходимо перейти в раздел «Управление параметрами 3D» и выбрать строчку «DSR-Степень».
Появится небольшое окно, в котором вы сможете выбрать, во сколько раз большие от оригинального разрешения вам нужны. К примеру, x1.78 соответствует разрешению 2560×1440, а x4 соответствует 3840×2160. После этого выбранные разрешения станут доступны в параметрах рабочего стола, а также в самих играх.
Также необходимо выставить параметр «DSR-плавность» на значение 0 %. В противном случае изображение будет слегка размыто.
Для включения MSAA, в этом же разделе (Управление параметрами 3D) нужно изменить два параметра.
Затем нажимаем кнопку «Применить».
Для настроек 3D имеется две вкладки: глобальные параметры и программные настройки. Если вы меняет параметры в первой вкладке, то они применяются ко всем приложениям, а если вы меняете значения во второй вкладке, то настройки применяются только к выбранной вами игре.
Для SSAA сглаживания настройки в панели управления не предусмотрено (исключение — старые видеокарты).
Включить его получиться только с помощью сторонней утилиты NVIDIA Profile Inspector.
Для сброса настроек вы можете нажать на значок NVIDIA.
Сравнение
Для сравнения качества было решено выделить фрагмент картинки, затрагивающие провода, текстовую надпись Track Mania и дорожные перила.
Вторым фрагментом выступит автомобиль, для оценки сглаживания изгибов и текстур.
А теперь сравним влияние сглаживания на FPS в игре.
Исходные материалы
Все использованные в статье игровые скриншоты, а также несколько дополнительных вы можете скачать в архиве по ссылке.
Track Mania Nations — игра, использованная для демонстрации типов сглаживания доступна для бесплатного скачивания на странице в Steam.
Вывод
Мы изучили эффективность сглаживания на примерах, а также научились принудительно его использовать c помощью различных программ и панели управления видеокартой.
Теперь вы в любой момент сможете улучшить качество изображения, даже если в самой игре настройки сглаживания не предусмотрено.