Что такое сглаживание в играх и зачем она нужна
Сглаживание в играх
Всем привет! Я решил немного разбавить свои блоги, небольшими статьями про графические и технические особенности игр. Эти статьи не будут частым гостем, я думаю раз в пару месяцев.
Первой технологией, которую мы с вами разберём станет – сглаживание. Почему именно она? Да потому, что данная тема тесно связанна с тем, как найти идеальный компромисс между вашими аппаратными ограничениями и отображаемой картинкой на экране.
Как всегда две версии: видео и текстовая.
Зачем оно нужно?
В Blender я создал простой куб, и пока камера направленна параллельно к одной из его плоскостей то, кажется, словно всё отлично. Но стоит немного повернуть, как мы тут же увидим, как на его гранях появились лесенки. Которые будут постоянно перестраиваться при движении. А теперь представьте, что происходит в играх, которые наполнены огромным количеством постоянно двигающихся объектов, правильно всё будет создавать эффект эдакого «мельтешения».
Похожий принцип будет и со шрифтами. Ведь изначально в Windows используется алгоритм сглаживания – ClearType. И вот если его отключить, то мы можем наглядно наблюдать за тем, как наши гладкие шрифты покрываются рубцами.
Причина этого проста – наши мониторы выводят изображение дискретно, то есть пиксель либо залит закрашен, либо нет. Ну а как мы все знаем, пиксели квадратные, и из этого следует то, что идеальными линиями могут быть только вертикальные и горизонтальные. А все другие объекты, которые находятся под углом будут отображаться с помощью пикселей, которые находятся по диагонали. На отдаление это может и вправду показаться что линия ровная, но стоит приблизить, как эта иллюзия тут же рушится.
Поэтому при сглаживании мы и используем соседние пиксели, которые могли бы сгладить всё это подходящим оттенком. Но мало просто иметь возможность задать полутона, нужно каким-то образом машине объяснить, какие для этого цвета вообще нужно объединить и где их применять.
Сглаживание в играх
Перед тем как я начну рассказывать про каждый из часто встречаемых алгоритмов сглаживания, стоит кратко упомянуть как вообще происходит подготовка кадра:
Это важно понимать ведь в зависимости от алгоритма, сглаживание может применяться как к готовому 2D кадру, так и на этапе создания 3D сцены что по итогу влияет на качество изображение, а также на нагрузку системы.
SSAA (SuperSample Anti-Aliasing)
Самое простое, самое качественное и самое прожорливое, всё это про сглаживание SSAA, или как его ещё называют метод избыточной выборки.
Данный алгоритм отрисовывает нашу сцену в более высоком разрешение для того, чтобы собрать данные о границах объектов. После этого уменьшает сцену в родное разрешение и применяет полученные данные для создания полутонов. Для того что бы подбор цветов был наиболее правильным, вместе с объектами сразу отрисовываются все тени, источники освещения, текстуры и т.д. Что как не трудно догадаться увеличивает ресурсозатратность. Однако это даёт лучший результат из всех.
Если упростить все вышесказанное, то: при SSAA x4, наше изображение увеличивается в 4 раза. То есть наш один физический пиксель делится на 4 виртуальных. И уже с помощью слияния цветов виртуальных пикселей получается нужный полутон для нашего объекта.
Но главная проблема данного алгоритма заключена в том, что он применяется ко всему кадру! То есть, те объекты, которые находятся за гипотетической стеной и скрыты от глаз игрока, всё ровно будут подвергаться сглаживанию. И именно по этой причине данный алгоритм является самым требовательным.
MSAA (MultiSample Anti-Aliasing)
Метод множественной выборки, пришёл на смену прошлому. Данный алгоритм работает по похожему принципу что и метод избыточной выборки, вот только с некоторыми отличиями.
Больше не отрисовываются объекты, которые не видит игрок. Так же было решено изменить то, к чему применять сглаживание. Ведь SSAA применял сглаживание ко всему в кадре, в то время как MSAA применяет его только к границам объектов. Что по итогу сделало сглаживание чуть хуже, но за то довольно ощутимо снизило нагрузку на видеокарту.
Из основных недостатков данного метода, это то, что он не работает на прозрачных и зеркальных поверхностях: стекла, вода, отражения и прочие. И то, что он крайне сильно нагружает систему в тех местах, где есть много мелких объектов, шерсть, трава и т.д.
Следующие алгоритмы, про которые пойдёт речь, применяются к готовому 2D кадру, что в разы снижает требование к системе, но также и качество сглаживание. Данные методы убирают лесенки, но дают «любимое» многими мыло.
FXAA (Fast approXimate Anti-Aliasing)
Быстрое приблизительное сглаживание разработанное Nvidia, как я уже говорил ранее работает с готовым 2D кадром, так что определить границы с помощью моделей уже не получится. Поэтому в данном алгоритме используется метод нахождения границ по контрасту. И уже с помощью этого пиксели будут окрашиваться в градиенты что бы сделать эффект сглаживания.
Если по-простому, то наш условный персонаж в тёмной одежде, находится на ярком фоне. Наш алгоритм благодаря резкой смене яркости определяет границы объекта. И красит пограничные пиксели в градиент от яркого цвета фона, в тёмный цвет персонажа за счёт чего и получается сглаживание.
Ну а почему с данным методом картинка становится такой мыльной что её спокойно можно взять с собой в душ? Ну причина этого заключена в том, что данный метод применяет сглаживание абсолютно ко всему контрастному.
SMAA (Subpixel Morphological Anti-Aliasing)
Субпиксельное морфологическое сглаживание, использует способ поиска участков, которые нужно сгладить похожий на тот, что используется в FXAA, то есть по контрасту цветов, яркости. Но в добавок к этому в нём заложен принцип MLAA обычного морфологического сглаживания, а то есть поиск границ осуществляется не только контрастностью, но и с помощью паттернов.
В наследство от MLAA достались паттерны – Z, U, L. Но этого было недостаточно, и были добавлены разные диагональные паттерны, с помощью которых делается более точное определение границы объекта и плюс к этом производится отсечение тех участков изображения, где сглаживание необходимо от тех, где оно ненужно ведь там должен быть острый угол.
Нагрузка на систему при использовании данного алгоритма чуть выше, чем у FXAA, но и качество лучше. Мыло хоть и не исчезло окончательно, но его явно стало меньше.
TXAA\TAA (Temporal Anti-Aliasing)
Временное приблизительное сглаживание, так же, как и FXAA разработано компанией Nvidia. Информации по тому, как работает этот алгоритм немного. Из того, что есть можно понять, что данный метод имеет в себе MSAA, но он применяется не каждому кадру, а условно через каждые 3. А те кадры, которые не подверглись алгоритму MSAA, используют данные из предыдущих.
По заверениям людей из Nvidia, качество TXAA x2 будет сопоставимо MSAA x8, но при этом потреблять ресурсов он будет как MSAA x2. И в целом — это так, но с двумя оговорками. Первая иногда можно заметить шлейфы у объектов, это как раз те самые участки предыдущих кадров, которые ещё не успели выгрузиться из памяти видеокарты. И вторая, изображение с данным алгоритмом мылится, особенно те объекты, которые находятся близко к игроку.
Данные проблемы должен решить новый алгоритм сглаживания, которым сейчас занимается Nvidia. ATAA адаптивное временное сглаживание. Это будет похоже по принципу на TXAA, но при создании маски, по которой будет применяться сглаживание будет так же использоваться технология трассировки лучей. Вот только что-то мне подсказывает что уже вряд ли мы получим ATAA, ведь всё это перекачивало в DLSS.
И кстати раз я про него заикнулся то скажу сразу, я не буду в сегодняшнем блоге разбирать данную технологию, ведь я просто на просто не владею видеокартой с RT ядрами.
Под конец хотелось бы сказать про ещё один способ убирать лесенки и мерцание в играх, для этого не требуются никакие алгоритмы. Ведь это более высокое разрешение экрана.
Объясню вкратце – у нас есть два 27` монитора, один из них обладает разрешением экрана 1920х1080 а второй 3840×2160, и думаю тут и так понятно, что плотность пикселей у 4К монитора в разы выше, чем у FullHD. За счёт чего и произойдёт сглаживание сцены. Вот только для это потребуется и надлежащая мощность вашего железа и конечно же 4К монитор.
Заключение
Сегодня мы с вами поговорили далеко не про все виды сглаживаний, но просто все другие либо мало чем отличаются от этих, или и вовсе, просто включают в себя сразу несколько разных методов. А те, про которые сегодня шла речь, были самые популярные которые вы чаще других встретите в играх.
Так же в заключение я хотел бы сказать какой из вышесказанных методов выбрать. Но всё это индивидуально, и зависит от игры и начинки вашего ПК. Но всё же попытаюсь кратко помочь вам с выбором:
А на этом у меня всё, если я где-то допустил ошибк_(и, у), то буду рад тому, что бы меня исправили. Всем большое за прочтение и до встречи в следующих блогах!
Типы сглаживания в играх
Начнем с определения:
Сгла́живание (англ. anti-aliasing) — технология, используемая для устранения эффекта «зубчатости», возникающего на краях одновременно выводимого на экран множества отдельных друг от друга плоских или объёмных изображений.
Почему возникает «зубчатость»? Проблема в том, что мониторы современных ПК состоят из квадратных пикселей, а значит на них действительно прямыми будут только горизонтальные и вертикальные линии. Все линии, находящиеся под углом, будут строиться из пикселей, находящихся по диагонали друг к другу, что и вызывает «зубчатость». К примеру, справа на картинке — вроде бы ровная линия. Однако стоит ее увеличить, как сразу становится видно, что никакая она не прямая: 
Чем это грозит в играх? Тем, что, во-первых, при движении будет возникать эффект «мельтешения» — такие неровные линии будут постоянно перестраиваться, что будет и отвлекать от игры, и делать картинку неестественной. Во-вторых — далекие объекты будут выглядеть нечетко.
Сразу же возникает вопрос — а как убрать эти неприятные эффекты? Самый простой способ — сделать пиксели меньше при том же размере экрана (иными словами — сделать разрешение больше и поднять плотность пикселей). Тогда «зубчатость» будет проявляться слабее, и картинка будет выглядеть естественнее. Но увы — способ хоть и простой, но дорогой, да и для видеокарты это достаточно сильная дополнительная нагрузка. И тогда, дабы улучшить картинку не меняя монитора, было придумано сглаживание.
SSAA (Supersample anti-aliasing) — самое тяжелое сглаживание, потому что оно, по сути, описывает способ убирания лесенок, который я привел выше: при четырехкратном (4х) сглаживании видеокарта готовит картинку в разрешении вчетверо выше, чем выводит на экран, потом происходит усреднение цвета соседних пикселей и вывод на экран в исходном разрешении. Получается, что виртуальная плотность пикселей вдвое выше, чем у экрана, и лесенки практически перестают быть заметными. Очень сильно сказывается на производительности: к примеру, если разрешение в игре 1920х1080, то видеокарта вынуждена готовить картинку в 4К — 3840х2160. Однако результат получается великолепным — картинка выглядит как живая, никакого мельтешения нет:
MSAA (Multisample anti-aliasing) — улучшенная версия SSAA, которая потребляет гораздо меньше ресурсов. К примеру — зачем сглаживать то, что находится внутри текстуры, если лесенки есть только на краях? Если текстура представляет собой прямую линию под углом к игроку, то можно сгладить лишь один участок и продолжить эффект на весь край текстуры. В результате нагрузка на видеокарту становится ощутимо меньше, и по тяжести даже 8х MSAA оказывается ощутимо легче 4х SSAA при сравнимом качестве картинки.
CSAA и CFAA (Coverage Sampling anti-aliasing и Custom-filter anti-aliasing) — по сути несколько улучшенный MSAA от Nvidia и AMD (позволяют выбирать дополнительные отсчёты «перекрытия» пикселя, по которым можно уточнять итоговое значение цвета попадающего на край треугольника экранного пикселя). 8x CSAA/CFAA дает сравнимое с 8x MSAA качество картинки, однако потребляет примерно столько же ресурсов, столько и 4х MSAA. На сегодняшний момент оба сглаживания не используются — разработчики игр решили использовать унифицированные для всех видеокарт сглаживания.
FXAA (Fast approXimate anti-aliasing) — нетребовательное быстрое сглаживание. Алгоритм прост — совершается один проход по всем пикселям изображения и усредняются цвета соседних пикселей. Это слабо нагружает видеокарту, однако сильно мылит картинку (обратите внимание на четкость текстуры камня), делая далекие объекты вообще неузнаваемыми:
Такое сглаживание имеет смысл включать только если лесенки терпеть не можете, а видеокарта не тянет лучшее сглаживание. По сути тут идет выбор между замыливанием изображения и лесенками.
Из особенностей — это единственное сглаживание, работающее полностью на процессоре, поэтому практически не влияет на fps в играх при мощном процессоре. Из-за более сложного алгоритма изображение получается более качественным, чем с FXAA, однако до 2x MSAA все еще далеко.
SMAA (Subpixel Morphological anti-aliasing) — смесь FXAA и MLAA. По сути несколько улучшенный MLAA, но работающий на видеокарте (так как процессор для сглаживания подходит гораздо хуже). Дает картинку, сравнимую с MLAA, лучше, чем FXAA (обратите внимание на бочки), однако потребляет больше ресурсов:
Такое сглаживание является хорошей заменой FXAA, и по уровню нагрузки на видеокарту находится между отсутствием сглаживания и 2x MSAA, так что есть надежда, что в будущем игр с ним будет все больше.
TXAA(Temporal antialiasing) — новая технология сглаживания от Nvidia. В отличии от других типов сглаживания, которые работают только с одним кадром (то есть с неподвижной картинкой), это умеет работать с движущимися объектами и хорошо убирает «мельтешение» картинки. По сути является смесью MSAA и SMAA, дает очень качественную картинку, однако немного ее мылит и очень требовательно к ресурсам.
В итоге — какое сглаживание выбрать? Если видеокарта совсем плохо тянет игру, то или оставаться без сглаживания и смотреть на лесенки, или же выбрать FXAA и любоваться на мыло. Если же система по-мощнее, но MSAA все еще не тянет — стоит выбрать MLAA или SMAA. Если видеокарта играючи справилась с 8х MSAA — стоит смотреть на SSAA или TXAA.
Графика в играх: окклюзия, сглаживание, фильтрация — Как и с чем её едят
Приветствую всех Стопгеймеров! Давайте начистоту, вы ведь тоже заходите в только купленную игру, но сперва кликаете на графические настройки? Кто ради чего, кому-то ради самоутверждения надо глянуть на ультра-автонастройку благодаря своему мощному «железу», а кто-то просто лезет туда ради интереса.Однако, задумывались ли вы, чем отличаются FXAA и TXAA, или 8х и 16х анизотропная фильтрация? Как-раз в этом блоге, группа Abuse Reviews сейчас вам расскажет и покажет, что же это за фильтрации такие, как они работают и с чем их едят. Поехали!
P.S.
прошлом блоге количество материала в ролике было урезано, здесь эта ошибка была учтена, очень старался для вас.Приятного просмотра)
Давайте начнём с самого-самого простого
Разрешение экрана
Мало кто не знает, что разрешение — это количество отображаемых пикселей по горизонтали и вертикали. От этой настройки также зависит качество картинки и то, как сильно будут выражены «лесенки» в переходах между разными плоскостями\поверхностями. Но почему же возникает этот графический артефакт? Дело в том, что все графические элементы в играх состоят из пикселей, но таких проблем с прямыми линиями не происходит, но стоит только чуть её наклонить, как появляются «лесенки». Возникает это из-за отсутствия плавного перехода между цветами, которое обеспечивает сглаживание, вот о нём мы сейчас и поговорим.
Сглаживание
Самое главное его предназначение — борьба с теми самыми «ступеньками», которые все так не любят. Сглаживание обеспечивает нам плавный переход между цветами, за счёт чего изображение получается куда комфортнее, устраняя «ступеньки». Да, картинка однозначно становится красивой, но всегда приходится чем-то жертвовать, а именно производительностью. За счёт появления новой задачи, процессору и видеокарте приходится рендерить(обрабатывать) все эти дополнительные оттенки, которое даёт нам сглаживание. Но, к счастью, существует много видов сглаживания, которые предоставляют нам разработчики в настройках. Их то мы сейчас и рассмотрим:
Этот вид сглаживания не слишком сильно нагружает процессор, потому что он обрабатывает лишь те части кадра, которые выглядели бы неровными, а выбирает он эти части независимо от того, где и как они располагаются. Это самый быстрый и менее затратный в плане ресурсов метод сглаживания. Отличие от прошлого метода сглаживания заключается в нескольких аспектах. В первую очередь, FXAA применяется к изображению в том разрешении, в котором вы играете, также размывает картинку сильнее, что выглядит совсем не лучше, чем MSAA, зато расходует на порядок меньше ресурсов, из-за чего этот вид сглаживания почти не вредит вашему FPS
Пожалуй, это лучший вид сглаживания, который сильно похож на MSAA, но с некоторыми дополнениями. Дело в том, что TXAA учитывает и берёт в расчёт предыдущие кадры и сглаживает последующие путём усреднения цветов.
Да, это не вид сглаживания, но избавляется от лесенок этот способ довольно неплохо, но при одном условии, которое свойственно не каждому пк. Ведь не у всех есть 2\4К мониторы, которые позволяют увеличить разрешение больше 1920х1080. За счёт уменьшения пикселей «лесенки» остаются, но становятся куда меньше, однако это влияет на производительность больше всего из перечисленных способов. Так что этот метод подойдёт только обладателям мониторов с очень высоким разрешением и мощным железом. Забавно слушать легенды о том, что если поставить 2к или 4к разрешение в игре на FullHD мониторе, то картинка станет лучше. Решил я это проверить на примере GTA V и что-то не увидел разницы до и после, ни в фреймрейте, ни качестве. 
Проблем никогда не бывает мало. В этом случае нет никаких исключений, ведь кроме «ступенек» встречается такой артефакт, как разрыв картинки. Это происходит, когда ваши монитор и видеокарта пытаются работать синхронно, но по какой-то причине эти парни не могут этого сделать, причиной является частота кадров и частота обновления монитора. К примеру, вы находитесь в какой-то загруженной локации, а ваша видеокарта старается держать стабильную частоту, в то время как монитор обновляет изображение на одной и той же частоте. Если они не синхронизируются между собой, то как раз и появляется такой разрыв. И для решения этой проблемы предназначен следующий параметр:
Вертикальная синхронизация 
Этот параметр заставляет работать видеокарту на той же частоте, что и монитор, однако из-за этого возникают уже другие проблемы, к примеру, частота кадров может сильно падать из-за того что в игре появляется слишком много объектов, которые приходится обрабатывать. Но и для этой беды есть решение, которое называется — горизонтальная синхронизация. Принцип действия заключается в том, что модуль, встроенный в монитор заставляет экран обновляться сразу же при получении нового кадра, что способствует идеальному совпадению частот видеокарты и монитора. Благодаря всему этому, производительность компьютера не уменьшается, а монитор и видеокарта работают максимально слаженно.
На этом о проблемах картинки и артефактах — всё
Тесселяция
Тут стоит обратить внимание на контур головы 47-го
А вот она создана не для того чтобы исправлять косяки в картинке, а улучшать её и делать более насыщенной и реалистичной. Многие из нас знают, что 3д-объекты в играх состоят из полигонов (мелких частиц). Тесселяция подразумевает разбиение полигонов на более мелкие части, чтобы генерировать больше деталей у объекта. Это особенно удобно для выделения высоты и глубины объектов. Также она способствует созданию более закругленных объектов без острых форм и углов.
Окклюзия окружения (Ambient Occlusion)
Лично я занимаюсь созданием 3д-моделей в Cinema 4D и довольно хорошо знаком с этой фичей. 
Она позволяет создавать искусственные тени, таким образом, в идеале, геймдизайнеры и создатели 3д-анимаций предпочитают использовать движки, поддерживающие функцию глобального освещения, которое позволяет создавать освещение идентичное реальному, а всё благодаря вычислениям точных оттенков каждого из пикселей, в зависимости от общего количества света, попадаемого на него. Знаю, что звучит это сложновато, но как же это преобразовывает картинку… словами не описать. Такое освещение очень подходит для различных кинематографичных сцен в мультфильмах или кат-сцен в играх, но это оказывает очень сильную нагрузку на железо, но на то у нас и есть окклюзия окружения, которая создаёт искусственные тени там, где они должны располагаться.
Для начала стоит разобраться с освещением в играх. В них источником света является естественное освещение, которое является упрощённой версией глобального освещения, где расположение теней зависит от того, есть ли перед источником естественного освещения какое-либо препятствие, но это даёт нам более плоские тени в меньшем количестве, чем хотелось бы. Тут и наступает триумф окклюзии окружения, ведь она определяет расположение дополнительных теней с поммощью трассировки лучшей, а именно вычисляет, сколько солнечных лучшей блокируется рядом со стоящими объектами. То есть, если один объект загораживает другой, то поверхность второго объекта, разумеется, будет находиться в тени. Впадины, углубления и тому подобное начинает больше выделяться с помощью окклюзии.В огромном большинстве случаев этот параметр уже «вшит» в графические настройки, что не позволяет включать и выключать его. Но это всё окклюзия окружения в общем. Наверняка вы все сталкивались с такими параметрами освещения как SSAO,HBAO и HDAO?
Она взяла своё начало со времён первого Crysis, благодаря компании Crytek, по-сути оно заключается в вычислении глубины каждого пикселя и пытается вычислить количество преград от каждой из выбранных точек. Алгоритм SSAO призван упростить вычислительную сложность алгоритма Ambient occlusion и сделать его подходящим для работы на графических процессорах в режиме реального времени. Вместе с тем качество результирующего изображения у SSAO является худшим, чем в первоначальном Ambient occlusion, так как SSAO использует упрощённые методики рендеринга(обработки изображения).
Имеет тот же принцип работы, что и SSAO но несколько усовершенствованный. Просто вычисления глубины производятся с большим числом выборок, но приходится жертвовать производительностью.
Одно основывается на другом. Таким же образом как SSAO отличается от HBAO, HDAO от HBAO отличается точно тем же, ну и ещё эта окклюзия была представлена нам компанией AMD.
Ну а что по кинематографичности?
Глубина резкости
Неплохо так нагружает вашу систему, но и так же неплохо придаёт картинке кинематографичности, а всё благодаря фокусу на конкретных объектах, благодаря чему, остальные объекты размываются. Но это может привнести неудобства, как например при игре в PUBG, во время выглядывания из окна (ну вы знаете, когда упираешься лицом в стену как идиот и видишь всё что происходит за ней) иногда замыливается вид в окне, а фокус идёт на стену или оконную раму. Очень раздражает. Однако кинематографичность, опять же, дарит нам положительные впечатления об игре.
Ну и последнее о чём хотелось бы рассказать
Анизотропная фильтрация
А вот этот параметр уж точно видел каждый, но далеко не все понимают как это работает. Объясню быстро и просто. Во имя сохранения FPS разработчики используют нехитрый трюк с понижением качества текстур и моделей по мере отдаления от них. Зачастую мы можем наблюдать размытие текстуры пола вдали от себя, но если мы включим фильтрацию, то границы между различными уровнями детализации размываются. Плюс такой фильтрации в том, что вы можете со спокойной душой ставить значение 16х, ведь этот параметр почти не оказывает давления на процессор и видеокарту.
Ну а на этом всё. Если вам понравился этот блог и вы узнали что-то новое, обязательно жмите на плюс, а также интересно узнать, нравится ли вам качество видеоформата, если вы его глянули? Большое спасибо вам за внимание, всем удачных каток и стабильного FPS!