顯示卡 4 大反鋸齒技術探討：鋸齒的產生與消除，前處理、後處理之爭

跳過渲染階段效能更高

前述的SSAA與MSAA等反鋸齒技術，都是從3D模型階段就開始著手處理，不過這種方式的運算量比較龐大，可能讓顯示卡負荷不了，於是給了另一派反鋸齒技術發展的契機，如果對渲染完成的圖像再進行反鋸齒處理，豈不是能有效降低效能耗損。

後處理就像修片

後處理（Post-processing）指的是處理渲染完成儲存於Frame buffer中的圖像，常見的後處理包括有HDR、光暈、動態模糊等特效，其優點為處理的對象為2D圖像，所以能夠降低前段處理的運算負荷。

以MLAA（Morphological Anti-Aliasing）為首的反鋸齒技術，就是在後處理對圖像進行反鋸齒處理，其優點不外乎效能高於SSAA、MSAA等方式，但是由於它是對渲染完成的圖像進行處理，所以呈現的效果會比較差。

舉個簡單的例子，SSAA就像是拍照前將燈光、焦距等參數調整至最佳狀態，需要花比較多的時間，能夠得到最好的效果，然而MLAA則是拍完照後才進行修片，雖然節省時間，但能夠調校的範圍比較有限，效果勢必不如前者。

後處理相容性最廣

在後處理階段進行反鋸齒除了可以減輕運算負擔外，它還有個決定性的優勢，就是理論上能套用於所有遊戲或是3D繪圖技術。

由於它的是針對Frame buffer中的圖像進行加工，因此可以在不改動程式也不需要軟體支援的前提下，加入後處理濾鏡就能進行反鋸齒實作，就算是使用光線追蹤（Ray tracing）的方式渲染，也難不倒後處理類型的反鋸齒技術。

成也後處理，敗也後處理。對渲染所得的平面圖像進行加工，說穿了就是將圖像中的鋸齒模糊化，所以得到的最終結果清晰度會比較低，此外程式無法於後處理階段對3D模型進行分析，也就是說無法改善Polygon popping這種失真情況。

MLAA直接分析平面圖像

以MLAA為例，其運作流程有3大步驟，首先它會從圖像中找到色彩不連續的像素（也就是和周圍顏色不一樣的像素），然後分析這些像素排列的形狀，並將它們歸類為事先定義的排列模式，最後則是依據這些模式混合鄰近像素的色彩。

在尋找色彩不連續區的階段，程式會搜尋所有相鄰的像素，找出色彩變化較大區域，劃分不同色塊間的分界線，並將長度最長的分界線標註為主要邊（primary edge）。接下來程式會沿著主要邊，找出與主要邊垂直的分界線，通常往主要邊的2端搜尋，都能找到對應的分界線，它們會被標註為次要邊（secondary edge）。

在決定各色塊的主要邊與次要邊之後，可以將它們組合成L形、U形、Z形等排列模式，其中U形與Z形可以再一步拆解成2個L形，因此所有的色塊邊緣都可以被分解成最基本的L形模式。

▲MLAA會分析圖像中色彩不連續的邊緣，將這些邊緣歸類成L形、U形以及Z形等排列模式，然後再將U型及Z型拆解成L型。

依面積進行調色

分析完色彩不連續的邊緣後，我們可以得到許多L型模式，由於其主要邊可能是從U形或Z形拆解而得，所以當原始主要邊只有1個像素寬時，新產生的L型模式主要邊長度就會只有0.5個像素寬度，而原始主要邊長度大於1時，新主要邊會維持原始長度的一半。然而次要邊則是不論原始常度有多長，都只取1個像素寬作為新次要邊的長度。

接下來程式會將主要邊的頂點與次要邊的中點連接起來，如此會圍出1個封閉三角形，這時候程式會計算這個三角型在每個像素中佔據的面積，並且依照面積分配的比例調合各色塊交接的顏色，就可以達到消除鋸齒的目的。

▲由於MLAA只會對渲染完成後的圖像進行反鋸齒處理，並不會在3D模型取樣階段增加取樣點，所以當polygon的邊緣移動幅度小於像素大小時 (從藍線變為綠線) ，就會面臨束手無策的窘境。左圖中每個像素只有1個取樣點，當取樣點被polygon覆蓋的數量沒有改變時，渲染所得的畫面就不會有所變化，對於MLAA來說，無法透過平滑化來減輕polygon popping失真。右圖則是增加取樣點的反鋸齒案例 (SSAA) ，由於取樣點被覆蓋的數量會改變，所以可以透過漸層色來降低polygon popping的干擾。

▲這張圖可以清楚地表達MLAA在做什麼，簡單地說，他就是分析色彩的分佈，將界線平滑化。

TXAA加入前後幀比對

MLAA以及其他如SMAA（Enhanced Subpixel Morphological Anti-Aliasing）、FXAA（Fast Approximate Anti-Aliasing）以及TXAA（Temporal Anti-Aliasing）等技術，都是在後處理階段進行反鋸齒處理的技術，它們的問題在於它的概念就是以清晰度換取平滑度，所以處理過後的圖像會比較模糊。

其中比較特別的是NVIDIA最新推出的TXAA，它除了會比對單一圖像中的資訊，也會將前一幀圖像加入比較，可以提升反鋸齒品質，尤其對於移動中的物件效果更是顯著。

後處理成主流

無論是哪種後處理反鋸齒技術，理論上效果都還是無法超越從根本做起的SSAA，其原因不外乎SSAA能在比其他反鋸齒技術擁有更豐富的原始圖像資料下，進行反鋸齒處理。

不過在螢幕解析度越來越大，遊戲畫面也越來越華麗的今天，使用SSAA或MSAA的效能代價太高，後處理反鋸齒技術能在確保遊戲效能的前題下，提供相對細緻、可接受的圖像品質，取得使用者可以接受的平衡。

▲左圖為原始圖像，以及分析後所得到的排列模式，紅線則為連接主要邊的頂點與次要邊的中點所得。右圖則為反鋸齒處理後的結果。

▲此圖為座標為c5、d5、e5像素的放大圖。其主要邊為v1v2，次要邊為v0v1，而紅線圍出的區域則為文中提及的封閉三角形，該三角形佔據c5像素3分之1的面積，佔據d5像素24分之1。因此c5的新顏色就是1/3的c4與2/3的c5混合，而d5則是1/24的d4與23/24的c5混合。

光線追蹤（Ray tracing）

我們比較熟悉的3D繪圖技術是以前面提過的柵格化應用，而光線追蹤則是另外一種完全不同的繪圖方式。兩者最大的差異在於柵格化是先建立3D模型後，再將所有物件投影到平面上，而光線追蹤則是採用的方法，為從攝影機射出假想的視線光（View ray），當視線光碰到物體反射後被遮蔽即形成陰影光（Shadow ray），程式只要不斷追蹤這些光線，就可以渲染出光影效果更加逼真的圖像。

光線追蹤最大的問題，在於它需要的運算量遠大於柵格化渲染方式，低落的效能讓它不適合應用於遊戲等即時3D繪圖。通常為了要提高效能，程式會設定光線反射次數的上限，或是視線光行走多遠沒有遇到反射，就停止追蹤該條視線光，這個方式雖然會加快渲染的速度，但是也會降低渲染的擬真程式，也可能會造成繪圖錯誤。

▲光線追蹤的示意圖，假想的視線光從射影機射出，並且一路折射至光源為止，行進方向與真實的光線恰好相反。（圖片來源：wikipedia）

 

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