走进完美游戏世界 欢迎走进完美世界课件

　　尽管近期游戏中使用了FXAA、SRAA等多种抗锯齿技术，但从反馈来看，这些抗锯齿技术在画质表现上仍有不足一要么文字模糊、要么物体细节无法完美呈现。因此，科学家们一直在为发展出更完美的抗锯齿技术而不断努力。幸运的是，在不到一年的时间里，第三种新型抗锯齿技术一SMAA孕育而生。现在，只要通过简单的方法，我们现在就能在游戏中体验到它。那么SMAA能否带来更加完美的游戏画质?不要着急，请让我们首先通过西班牙科学家Jorge Jimenez撰写的论文，来了解什么是SMAA抗锯齿技术(以下内容需要读者具备―定的图形学知识，该文彩色版本可在本刊官方网站MCPlive.cn中的“趋势与技术”栏目阅读。如果只想了解如何使用SMAA，以及SMAA的抗锯齿效果，可直接跳过此部分)。将“退化”成暴力的超级采样抗锯齿，其相对高效率的优点荡然无存。延迟渲染广泛应用的现状也使得学术界开始重新审视传统MSAA技术的天生劣势。根据GDC 2011大会上透露的数据，使用GeForce GTX 470在目前的游戏场景上进行MSAA 8x处理平均需要5.4毫秒，显存占用达到126MB之多，开启延迟渲染之后更是飙升到506MB，开启HDR之后还需再加倍，天文数字般的代价使得MSAA的采样倍数被限制在了4x以下，而这又导致了图像质量的降低。
　　在学术界和工业界的不断探索下，英特尔实验室提出的MLAA(形态抗锯齿)技术脱颖而出。这项技术揭开了后期处理式抗锯齿技术蓬勃发展的序幕，由于MLAA处理所需的数据仅仅是像素的颜色值，因此获得了卓越的兼容性，同时其理想状况下的处理质量甚至可以超越MSAA。
　　优缺点突出MLAA抗锯齿技术特性简析
　　根据目前对人脑视觉识别的研究结论，锯齿图案比颜色失真更加容易被人眼捕捉到。因此为了消除锯齿可以付出颜色准确度上的代价。基于此，MLAA将检测每帧图像中的颜色不连续信息，进行模式识别，把这些颜色上可感知的边缘组合成Z、U、L形状，并将这些边缘上的像素颜色根据覆盖区域的大小计算权重，与周围的颜色进行混合，从而达到平滑锯齿的目的。但是原始的MLAA算法是为CPU设计的，不经过优化改造是无法使用在实时渲染上的。根据SIGGRAPH 2011上的讲座介绍，使用原始的MLAA代码在XBOX360上花费了几乎90毫秒／帧的处理时间，光是权重计算的步骤就付出了65毫秒，长得难以接受。于是一系列针对MLAA的优化改造工作如火如荼地展开，CPU+GPU的混合式MLAA、整体移植到GPU上的FXAA以及Jimenez MLAA~继出现，终于将处理时间缩减到了几毫秒甚至零点几毫秒的量级上。受到MLAA的鼓舞，SRAA等同样基于后期处理思想的抗锯齿技术也在此期间诞生，它们兼备良好的质量与低廉的实现成本，因此受到了N、A两个阵营的关注。与《战地3》一同声名鹊起的寒霜2引擎就同时内置了FXAA和SRAA两种技术。至此，延迟渲染为抗锯齿技术筑起的性能瓶颈已经被突破，高质量的抗锯齿技术已经能够在主流显卡上与延迟渲染协同工作。
　　虽然MSAA留下的空白已被填补，但后期处理抗锯齿技术仍然存在缺陷，主要有：
　　1／物体原有的形状未能得到较好保留，存在过度模糊的现象。例如JohanAndersson就将由MLAA演化而来的FXAA戏称为“模糊抗锯齿”。过度的模糊甚至影响到了一些纹理细节的表现。
　　2／忽略了对角线模式的检测，导致抗锯齿质量的降低。现有的抗锯齿技术普遍存在这一弱点，从MLAA到新近的SRAA无一例外，只是受影响的程度不同。SRAA的处理质量稍好，MLAA则相对糟糕。需要一个新算法将二者的优点进行融合。
　　3／高光和着色上的锯齿没有较好地移除，子像素级别上的特征没有较好保留。这是一个普遍缺陷。
　　4／局部对比度没有纳入考量，无法准确评估边缘是否被人眼识别，浪费运算资源，这是原始MLAA算法的另一重要缺陷。
　　5／对接近水平或者垂直的边缘进行的处理在时间上不稳定，运动图像获益不如静态图像。
　　为了解决这些问题，SMAA站到了台前。
　　全面升级SMAA特性面面观
　　SMAA全称为增强型子像素形态学反锯齿(EnhancedSubpixel Morph010gical Antialiasing)。它的基本处理流程建立在Jimenez优化改造后的MLAA算法之上，但是每一个步骤都经过了强化或者是彻底的更新：边缘检测技术通过精确距离搜索和局部对比度自适应得到了提升，使得处理结果更加可靠。同时，模式识别方面被尖锐几何特征、对角线检测加以强化，能够在物体轮廓的斜线上产生更加准确的结果。
　　接下来就让我们将借助SIGGRAPH 2011大会上，Jimenez和Alexander Reshetov等人制作的PPT，来说明SMAA的工作原理。
　　核心原理来源MLAA
　　由于SMAA技术来源于MLAA，因此该技术的首要工作仍是利用MLAA技术平滑锯齿。让我们首先从图2开始。每一个方格代表一个像素，可以看到，图像中有着泾渭分明的一条分界线，为了醒目，我们用加粗来标示它。这就是颜色上的边缘锯齿，也是MLAA处理所需的全部输入信息。它所要做的，就是根据现有的锯齿状图像，获知原始的边缘信息。这条加粗的边缘线呈现一个“Z”字形的模式。这个“Z”模式由两条垂直边，一条水平边组成。
　　如图3所示，从点状标记出发，分别向水平边的左右方向延伸，直到碰见左右两侧的第一个垂直转角，我们就找到了“z”模式中蕴含的两条垂直边，也就是图中用椭圆圈住的部分。本质上来说，我们是在一条水平线上行走，直至碰见左侧的“峭壁”，和右侧的“悬崖”。这些垂直于搜索方向上的悬崖峭壁就是所谓的“交叉边”，它代表着距离搜索的终点。距离搜索结束后，可以得到d(left)和d(right)所代表的水平边缘长度。有了交叉边和长度信息，就可以画出具有一定斜度的边缘线条，我们暂且将之称之为逼近线。这对MLAA反锯齿计算是至关重要的一步。寻找d(left)和d(right)的步骤就是距离搜索，这个步骤会告诉我们需要处理的边缘大致有多长，画出具有一定斜度的逼近线条的步骤被称为重新向量化，它会重建出近似的边缘信息，以便进行接下来的模糊处理。那么重新向量化、模糊处理这两步工作对于平滑锯齿会有怎样的帮助呢?
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　为了理解这一点，让我们接下来观看图4。假设有一个黑色物体，它的一条边(为了醒目，这条线被人为地加粗)，从正待我们处理的画面中横贯而过，我 们将它称之为原始边缘。那么根据光栅化的处理原则，在加粗线条之下的区域，也就是黑色物体内部，应该被着上黑色，而加粗线条之上的区域没有任何物体显示，应该被留白。我们注意到，这条加粗线很不“乖巧”地把图中部分像素一截为二，但一个像素只能同时显示一种颜色，没有办法“脚踩两只船”，那它们应该是被着黑还是留白呢?答案是，如果没有做多倍采样的话，每个像素的颜色值采样点会位于像素的中心。举例来说，像素(0，0)完全位于物体内部，它的中心点显然会被着上黑色。不过像素(2，2)就不同了，虽然它有很小的一部分位于黑色物体内，但是它的中心点位于空白区，于是它会被留白。按此处理法则，我们最终得到的图像会变为图2。因此在没有见过图4的情况下，想知道图2中的像素(2，2)到底被原始的物体边缘覆盖了多少，是不可能的事情。这就会导致即便像素(2，2)被黑色边缘覆盖了几乎一半，它的着色结果也将是白色，像素(2，1)上的白色将被彻底“消灭”，完全“涂黑”。这种着色结果的不准确正是画面锯齿诞生的原因之一。
　　而在使用MLAA技术后，这种情况就不会发生。让我们回过头来看看图3，MLAA技术会跟着这条水平线做边缘搜索，识别出一个“Z”字形模式，并用一条具有斜度的逼近线将两条垂直交叉边连接起来。这些步骤的意义在于，虽然MLAA无力触及光栅化处理前的状况，但是它能够凭借仅有的颜色信息，重建起近似的边缘线，从而得知这些像素大致上被原始边缘线覆盖了多少面积。我们希望这条逼近线能够尽量靠近图4中的原始边缘线，愈加靠近，着色重建的结果也就越准确。这里就是MLAA的精髓思想，在距离搜索与模式的判别中，每发现一个特定的“Z”、“U”、　“L”形，都能够画出一段逼近线，例如图1。这个估计并不是百分之百准确，但是实践证明这样做确实有着良好的效果。图3中的逼近线再度将部分像素一截为二，此时MLAA会让它们根据各自被截区域的大小做颜色混合。大部分区域被截在了逼近线条以下的，那么这个像素的颜色就越深，反之亦然。分析着色和留白各自需要混合多少分量的步骤就是权重计算，这是原始MLAA中最为耗时的一个步骤。
　　从图5可以看到，在经过以上处理后，我们就顺利地实现了颜色渐变的平滑过渡，“消灭”了物体上的锯齿。但MLAA本身也存在问题：由于仅仅使用颜色数据来判断抗锯齿边缘，因此MLAA技术无法辨识到底哪些边缘需要进行抗锯齿计算，从而导致运算资源上的浪费与图像的失真。
　　改进边缘检测算法
　　而这正是SMAA技术需要做的――改进边缘检测算法。一帧图像中的边缘有很多，但并非每一条都需要处理。据研究，若周围区域里存在一条颜色反差较大的边缘时，人的视觉系统会忽略对比度相对较低的边缘，因此可以把低对比度的部分从处理过程中早早剔除，保留图像的锐度，同时节约了处理时间。
　　如图6所示，左起第一张图片中，占据高对比度优势(由浅色Z形线标记)的边缘将对下方的其余边缘(以竖线标记)产生遮盖作用，通常情况下人的注意力将集中在高对比度的边缘上。若是使用MLAA技术，在抗锯齿处理时，不考虑对比度的影响就会带来位居中间的图样，它对不该处理的边缘也做了处理，导致了一串不平滑的颜色改变。而将对比度纳入考量的SMAA技术则会形成右图，此时颜色过渡就更为平滑。
　　再看图7。以点状标记的是当前的待处理像素，浅色标记的是它的左边缘，可能对这条边缘形成遮蔽作用的其他边缘被进行了加粗，足足有六条之多。若使用MLAA技术，像素的每条边都需要访问这六条边。而使用SMAA技术后，像素总共只需要访问四条边缘，大大降低了访问次数。　同时，在边缘检测中寻找线条延伸终点的步骤也需要频繁的数据访问，这对显存带宽形成了一项挑战。为了提高带宽利用率，在改进版的Jimenez’s MLAA技术中就已利用硬件的双线性插值来加速这个过程。通过一个简单的线性插值编码公式，可以在一次访问中得知两个像素的情况，大大地降低了带宽压力，这一特性被称为精确距离搜索。
　　如图8所示，颜色加粗的水平线条就是待搜索的边缘。从星形像素出发，到达第一个菱形处，我们就一次性跨越了两个像素，重复这个过程，直到圆圈标示的终点，我们就得到了所要的边缘信息。这里的精髓在于，我们在理论上以两倍速度抵达了目标。而没有引入双线性插值优化的MLAA~能逐像素地访问过去，在这一个步骤上的理论速度只有Jimenez’s MLAA的一半。
　　不过虽然图8的方法(如图9左上)能够有效找到水平线条的终点，但是并不完美。它能够告诉我们水平方向上的边缘情况，但是却会错过垂直线条上的交叉边(图9左下)，这是因为Jimenez’s MLAA的双线性插值公式只考虑了一维的情况。SMAA将Jimenez’s MLAA当中的双线性插值公式再度加强，引入了垂直坐标分量(右下)，能够在一次访问中获取水平与垂直两个方向上的信息。图9右上图为二者对比，采样点每次只能跳跃到像素垂直边的是Jimenez’s MLAA的跳跃过程，而采样点在像素内中上位置的则为SMAA的跳跃过程。可以看到，SMAA的采样点有所偏移，从像素边缘处移到了像素内部，这样就不必担心错失垂直方向上的信息了。
　　尖锐几何特征检测技术
　　众所周知，MLAA的一大弱点就是模糊了文字边缘，未能保留文字显示应有的锐利。作为一个在MLAA之上构建的新技术，SMAA要如何解决这个问题呢?答案是：尖锐几何特征检测。
　　如上文所说，MLAA是依据颜色上的不连续原理来对边缘进行处理，在重新向量化的步骤中，交叉边在此扮演了重要角色。然而Jimenez等人观察到，MLAA、FXAA技术上采用的交叉边最多只有一个像素的长度，但物体上的转角长度往往大于这个值，因此这些技术无法
　　“知道”哪些是锯齿，哪些是物体自身的转角(见图11)。这就令MLAA、FXAA等技术也会对物体的转角进行重新向量化处理，从而造成物体的转角处出现不应有的模糊效果。SMAA解决这一问题的办法很简单――将交叉边长度扩大至两个像素。
　　让我们通过图11来分析这项特性的优势所在。w右侧有着两级阶梯状的锯齿(黑色线圈处)，垂直凸起的边长只有一个像素，对此MLAA能够正确地进行重新向量化，一条较长、有斜度的线条横贯八列像素，这就是MLAA恢复出的原始边缘即逼近线。被逼近线条一截为二的那些像素，会根据被截面积的大小计算权重，加以不同的模糊处理，于是锯齿就被平滑了。再看图的左侧，标注 了e3的像素上方有一个被正方形线框起的部分，这里有一个90°转角。如果我们根据原始MLAA的处理规则，以一个像素长度的交叉边(加粗的垂直边)来处理，得到的重新向量化结果就是画出另一条斜度很大的逼近线――但是问题出来了。这个90°的转角原本就是物体应有的形状，这里的锐度应该忠实地保留，不需要进行抗锯齿处理。如果我们在这里也画上逼近线，就会将位于90°转角上的这个像素一截为二，由此引入不必要的模糊，不该处理的“锯齿”被处理了，带来了锐度的损失。但如果使用两个像素长度的交叉边，长度扩展至e1处，那么就可以检测到正确的90°转角，画出与水平边重合的逼近线，从而避免出现这个缺陷。
　　从图12中可以看到，SMAA在文字锐度上轻松击败了MLAA。将图像放大可以看到，由于字母“D”内侧出现的交叉边只有一个像素长度，无法改变，被错误地认为是需要处理的边缘，因此也被SMAA施加了模糊化处理，但除非放大图像仔细观察，否则这一改变几乎无法察觉。而交叉边长度明显超过一个像素的字母“E’，上锐度则得到了完美保留，没有一丝一毫的抗锯齿处理痕迹。这一关键改进使得SMAA在对付文本时能够尽量保留锐度，从而将MLAA甩在了身后。
　　集成对角线搜索技术
　　除了SRAA之外，大部分抗抗锯齿技术检测水平和垂直方向上的边缘，这使得针对斜线的反锯齿结果不尽如人意。SMAA引入了新颖的对角线搜索，搜寻左上一右下，左下一右上两种模式的形状，依旧进行距离搜索，获取交叉边，以此得到相应的覆盖区域。如果发现对角线至少有两个像素长度，那么就进行处理，否则就把它们当成普通边缘。对角线搜索在我们之前提到的水平、垂直边缘搜索之前执行，这保证了对角线将得到优先处理。
　　即便与依靠几何信息(深度与法线值)做边缘检测，可对对角线进行抗锯齿处理的SRAA相比，SMAA在一些特定场景中的优势也非常明显。如图14所示，路灯上的深度与法线变化很小，SRAA的处理就难以准确表现，而SMAA专门引入了对角线模式的检测，因此只需1x处理，SMAA就轻松将SRAA甩在身后。到了S2x的级别上，SMAA甚至可以与号称黄金标准的SSAA 16x并驾齐驱，对角线检测的引入确实效果卓著。然而SMAA相对于SRAA的优势并不止于此。
　　提升子像素重建质量
　　从图15可以看到，SRAA在子像素级别上的重建质量还是可以的，虽然只对颜色值做了1x采样，但是它对其余子像素样本的颜色值估计的确很不错，这在第一排图像中林立的天线与第二排图像中的铁丝网上有所显示，而SMAA 1x的重建质量比较糟糕，不是SRAA的对手，但是SMAA4x的质量就是毫无疑问的完胜。这个完胜不仅仅在于图像的重建质量，还在于图像的处理时间，就算以4x采样处理，SMAA相对于SRAA也有些许优势。虽然优势不到一毫秒，但是在实时渲染领域，速度实在是至关重要。要知道正是为了抢下几毫秒的时间，索尼旗下的工作室不惜大费周章改进渲染流水线，拿出了一个SPU+GPU的帧间交替渲染方案，最终才造就了一个低延迟的PS3专属MLAA。SMAA，的局部对比度适应处理一般只需0.08毫秒，尖锐几何特征检测和精确距离搜索的时间尚不到0.01毫秒，对角线处理也只需0.省略的“趋势与技术”栏目，浏览本文的彩色版本。