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 3840x2160, 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!