Bestrijding van grafische onvolkomenheden: Anti-aliasingtechnologie in games

De strijd aanbinden met grafische imperfecties: Anti-aliasing technologie in games Foto 0
In de instellingen van je favoriete game staat een standaardset parameters: geluid, muissnelheid en andere. Een van de instellingen in het grafische menu heet “anti-aliasing”.

Het bevat veel opties om de kwaliteit van de graphics te veranderen. Maar wat doet dit algoritme eigenlijk, waarom zit het in alle oude spellen en zal het in de nabije toekomst verdwijnen?

Anti-aliasing in spellen: de geschiedenis van de technologie
Anti-aliasing is een algoritme voor het elimineren van het effect van “jaggies” (duidelijk zichtbare pixels) op het scherm. De ontwikkeling in 1972 aan het Massachusetts Institute of Technology werd gepresenteerd door het Architecture Machine Group-team, dat later bekend werd als Media Lab – een laboratorium dat zich bezighoudt met onderzoek en ontwikkeling op het gebied van technologie, wetenschap, kunst, design en medicijnen.

Het principe van de technologie is het creëren van extra tinten pixels, die worden gebruikt om gebogen lijnen in spelbeelden te tekenen. In dit geval maken de toegevoegde elementen de grenzen zachtjes glad, waardoor een verloop ontstaat. De antialiasingparameter in games beïnvloedt dus de algehele kwaliteit van het beeld.

Bestrijding van grafische onvolkomenheden: anti-aliasingtechnologie in games Foto 1
Waarom treedt het “gekartelde” effect op?

Moderne beeldschermen en schermen van mobiele apparaten bestaan uit vierhoekige elementen – pixels. Alleen horizontale of verticale lijnen zijn dus echt recht, met duidelijke grenzen. Krommen onder een hoek worden weergegeven in de vorm van “stappen”. De lijn in de onderstaande afbeelding lijkt bijvoorbeeld recht, maar als je dichterbij komt, wordt duidelijk dat dit niet het geval is.

Bestrijding van grafische onvolkomenheden: Anti-aliasingtechnologie in games Foto 2
Iedereen die oude games heeft gespeeld, is bekend met de karakteristieke pixel- en blokesthetiek van die tijd. “Gekarteld” ontstaat door het ontbreken van een vloeiende overgang tussen kleuren en in deze situatie komt anti-aliasing te hulp.

Het belangrijkste doel van anti-aliasing is om te vechten voor de kwaliteit van het beeld in het spel. Met het verschijnen van een dynamisch beeld zal het ruiseffect zichtbaar worden – curves worden constant opnieuw opgebouwd, wat afleidt van het verhaal en het beeld van lage kwaliteit maakt. Daarnaast worden objecten op de verre achtergrond behoorlijk wazig.

Als het antialiasingalgoritme is ingeschakeld, wordt het beeld mooi, maar er is een tastbaar nadeel – een extra belasting van de prestaties. Door de nieuwe taak beginnen de processor en videokaart extra tinten te renderen, waardoor stroombronnen worden verbruikt.

Een manier om dergelijke problemen op te lossen is het verminderen van pixels. Een afbeelding met 30 vierkantjes ziet er blokkeriger uit dan een afbeelding met 3000 vierkantjes. Met andere woorden, een hoge resolutie kan helpen.

Maar resolutie is niet almachtig. Om het blokkerige uiterlijk in de spelruimte te elimineren, gebruiken softwareontwikkelaars geavanceerde rekenmethoden. Het doel: de gekartelde randen wegwerken die ontstaan wanneer niet-rechthoekige vormen worden gemaakt van rechthoekige pixels.

Soorten anti-aliasing:

Algemene anti-aliasing in games – een algoritme tekent een grote afbeelding en comprimeert deze vervolgens.
Gespecialiseerde anti-aliasing algoritmen in games werken met beelden van bepaalde types en extraheren deze uit het algemene beeld (korte segmenten, grote of kleine elementen, statische objecten of een beeld in dynamiek, enz.)
Afvlakmethodes werden actief ontwikkeld in de vroege jaren 2000 en hebben sindsdien veel veranderingen ondergaan.

Het eerste algoritme heette “supersampling”: een primitieve en ruwe benadering waarbij pixels werden verdeeld in meerdere afzonderlijke samples, elk van vier vierkanten. Deze steekproeven werden vervolgens geanalyseerd om de gemiddelde kleur van alle vier de pixels te bepalen. Het gemiddelde van de set werd door ontwikkelaars gebruikt om lijnen of randen te bewerken.

Dit oude algoritme vereist aanzienlijke rekenkracht, wat je grafische processor zwaar kan belasten.

Moderne soorten anti-aliasing in games
SSAA (Super Sample Anti Aliasing)

Een favoriet van velen en de hoogste kwaliteit antialiasingoptie, geeft een helder beeld.

Het grootste nadeel is dat de optie de prestaties van de techniek sterk vermindert. In dit geval verhoogt de videokaart kunstmatig de resolutie van het scherm.

Op een Full HD-scherm (1920×1080) kun je met viervoudige anti-aliasing bijvoorbeeld een beeld in 4K-kwaliteit (3840×2160) krijgen!

SSAA egaliseert zichtbare “jaggies” en maakt objecten in de verte helder, waardoor een beeld van hoge kwaliteit wordt gegarandeerd voor een maximale onderdompeling in de actie.

SSAA-technologie wordt geïmplementeerd in projecten waar dit soort intensieve bronnen worden gecompenseerd door hoge spelprestaties. Af en toe is er in de instellingen een optie SSAA x 0,5: de beeldkwaliteit daalt dan met de helft en neemt weer toe als het op het scherm verschijnt. De beelden worden droevig, maar de spelprestaties nemen toe.

MSAA (MultiSample antialiasing).

Deze technologie is een “lichtere” vervanging van SSAA. Het wordt gebruikt in situaties waarin je de randen van contrastsegmenten, kleine objecten op de achtergrond, moet afvlakken. Dit type anti-aliasing is niet effectief voor games met veel kleine details: texturen, planten, stadsgezichten. Dan wordt deze anti-aliasingtechniek niet eenvoudiger dan SSAA.

FXAA (Fast approXimate antialiasing)

Je wilt antialiasing aanpassen, maar je hebt een zwakke pc? FXAA is perfect voor jou omdat het het minst vraagt van je hardware. In plaats van de kleuren en geometrie van het spel te berekenen, vervaagt het gewoon de gekartelde randen.

Het algoritme voegt extra pixels met gemiddelde kleuren toe langs de randen van de curve. Dit is een populaire, maar niet superkwaliteit optie – de randen worden te wazig. Je moet zelf kiezen of je het “stapelen” of de overmatige onscherpte wilt verdragen.

MLAA (MorphoLogical AA).

Een vergelijkbare FXAA-technologie van Intel vindt scherpe kleurovergangen en classificeert deze. Het proces begint nadat de definitieve versie van het frame is verschenen, dus de belasting gaat direct naar de CPU van het apparaat. Het spel loopt even scherp, maar de vervaging van het beeld blijft merkbaar.

SMAA (Subpixel Morphological AA).

Anti-aliasing technologie gemaakt naar analogie van FXAA en MLAA. Het algoritme berekent en voegt extra “gemiddelde” pixels toe, niet alleen op contrasterende gebieden, maar ook op gebieden die sterk verschillen in helderheid. Het proces belast de videokaart direct, wat de spelprestaties beïnvloedt. Het beeld blijft net zo wazig als in de twee vorige varianten.

TXAA/TAA (Temporal AA).

Het product van Nvidia combineert MSAA en SMAA en voegt de functie toe om de trilling van objecten te detecteren. Het systeem analyseert eerdere frames door pixelposities te vergelijken. Een dergelijke afvlakking werkt goed als het beeld op het scherm statisch is. Maar zodra er beweging in het beeld komt, schiet het gebruik van bronnen omhoog, verschijnen er visuele fouten door overgebleven frames uit het “verleden” en wordt onscherpte erg merkbaar.

Dit is de nieuwste van de genoemde technologieën, die alleen wordt ondersteund door moderne videokaarten.

DSR (Dynamische Superresolutie)

De ontwikkelaar van videokaarten van Nvidia heeft een algoritme ontwikkeld dat vergelijkbaar is met SSAA. DSR werkt in drie fasen:

zet het spel aan in hoge resolutie
genereert een frame
“knipt” het beeld naar zijn oorspronkelijke grootte
Als het geselecteerde spel dit type anti-aliasing niet ondersteunt, zijn er merkbare ongemakken – de interface en de muis worden trager, omdat je in feite speelt in een resolutie die hoger is dan de monitor toelaat.

CSAA/CFAA (Coverage Sampling AA/Custom-Filter AA).

Een variatie op het MSAA-thema. Je krijgt een beeld van MSAA x 8 kwaliteit, maar de prestaties vereisen hetzelfde vermogen als MSAA x 4. Het beeld is scherp! Het algoritme bepaalt niet alleen de “gekarteldheid” zelf, maar ook naburige pixels: antialiasing werkt voor grote objecten, terwijl kleine details niet wazig worden.

Illustratie van populaire soorten antialiasing aan de hand van het voorbeeld van het spel GTA:

Samenvattend:

SSAA – we krijgen een beeld van uitstekende kwaliteit, maar de videokaart wordt merkbaar belast.
MSAA – zelden gebruikt, geschikt voor spellen met grote objecten in de graphics.
FXAA – de randen van objecten worden echt gladgestreken, maar zo veel dat het hele beeld wazig wordt.
MLAA – het algoritme belast de processor zonder het spelcomfort te beïnvloeden, maar het beeld is “uitgewassen”.
SMAA – de spelprestaties nemen sterk af, het beeld is wazig.
TXAA – een uitstekende optie voor games waarin de meeste frames statisch zijn.
DSR – de technologie wordt zelden gebruikt, hoge belasting voor de videokaart.
CSAA/CFAA – we krijgen een beeld van uitstekende kwaliteit, ook voor kleine objecten.
Welk type antialiasing moet ik kiezen als er meerdere opties in het spel zijn? Alle