CC BY
9
УДК 004.3
ОН. РОМАНЮК, О.В. МЕЛЬНИК, С.1. ВЯТКИ
Вшницький нацюнальний техшчний ушверситет
КЛАСИФ1КАЦ1Я МЕТОД1В АНТИАЛ1АЙЗИНГУ
У po6omi проведено amni3 iснуючих Memodie анmиалiайзингу зображень i запропоновано ix класифжащю.
Ключoвi слова: анmиалiайзинг, суперсемплтг, мультисемплтг, тксел.
O.N. ROMANYK, O.V. MELNYK, S.I. VJATKIN
Vinnytsia national technical university
CLASSIFICATION METHODS OF ANTI-ALIASING
Annotation
The purpose of this paper is to analyze the existing methods Anti-Aliasing and try the most common classification methods, including methods of Super-Sampling, Multy-Sempling and post-processing methods, which also relate to methods Anti-Aliasing. The basic principle of Anti-Aliasing - a " make low-contrast " sharp boundaries between colors in order to achieve the visual effect of a smooth transition between tones. Different requirements for tools Anti-Aliasing based on tasks performed by computer systems encourage manufacturers to develop graphical tools with different specifications and characteristics for maximum satisfaction of needs subject area. This creates a need to develop classification methods Anti-Aliasing to determine the optimal method and its adaptation to the tasks used.
Keywords: Anti-Aliasing, Super-Sampling, Multy-Sempling, pixel.
Постановка задачь Антиатайзинг - сукупшсть техтчних i алгорштшчних засоб1в, яш застосовуються для усунення ефекту «стушнчастосл», що мае мюце при формувант графiчних зображень i вщтворент !х на пристроях вiдображення. Основна задача антиалiайзингу - це згладити рiзкi меж1 мiж кольорами для досягнення вiзуального ефекту плавного переходу мiж тонами.
Сьогоднi засоби антиалiайзингу знайшли широке застосування як у вщеокартах, так i в пакетах прикладних програм комп'ютерно! графiки.
Рiзнi вимоги до засобiв антиалiайзингу, залежно ввд виконуваних обчислювальною системою задач, стимулюють виробник1в розробляти графiчнi засоби з рiзними специфiкацiями та характеристиками для максимального задоволення потреб предметно! галуз^ В таких умовах виникае необхщшсть розробки класифжацп методiв антиалiайзингу для визначення оптимального методу та його адаптаци до поставлених задач використання.
AH&tti3 публiкацiй з теми дослщження. У бiльшостi сучасних систем комп'ютерно! графши використовуеться растровий принцип формування зображення. При формуваннi растрових зображень виникають спотворення, якi обумовлеш недостатньою роздiльною здатнiстю растра [1]. На зображеннях з'являються артефакти, одним iз проявiв яких е яскраво виражеш сходинки або зубцi на краях об'екпв. Даний ефект отримав назву ступiнчастого ефекту чи ефекту ал1айзингу [2]. Проведенi досл1дження показали, що при використанш 17" моштора i розмiщеннi спостерiгача на вщсташ 65 см вiд екрана для повного усунення ефекту алiайзингу потрiбен монiтор iз роздiльною здатнiстю як мшмум 4000 4000 пiкселiв, а для людей з рiвнем зору вище середнього - взагал1 8000 8000 пiкселiв. Сучасний рiвень технологiй поки що не в змозi забезпечити таку роздiльну здатнiсть, тому для забезпечення реалiстичностi синтезованих зображень у системах комп'ютерно! графiки використовують спецiальнi методи та засоби усунення стутнчастого ефекту [3, 4].
На вiдмiну ввд звичайних методiв растеризацi!, в яких штенсившсть кольору розраховуеться тiльки в цен^ пiксела, у методах антиалiайзингу колiр обчислюеться з урахуванням зони, яка оточуе пiксел [2]. При визначенш iнтенсивностi кольору точки контуру об'екта додатково враховуеться покриття тксела межами сусiднiх об'ектiв, а при формуванш тривимiрних зображень значно ускладнюеться процедура видалення невидимих поверхонь, осшльки вона виконуеться з пiдвищеною точнютю на рiвнi пiксела [3, 5].
Серед найпоширешших методiв антиал1айзингу е суперсемплшг [6] (SSAA - SuperSample AntiAliasing).
У групi цих методiв зображення, яке мае ввдображатися на екранi, попередньо обчислюеться з бшьшою роздiльною здатнiстю, нiж роздшьна здатнiсть пристрою вiдображення, а перед виведенням на екран зображення зменшуеться шляхом усереднення [6].
Особливiсть мультисемплшгу полягае в тому, що обробщ пiдлягають пiксели, якi знаходяться на межах пол^ону, а не в середиш. Звичайно, вiдмова вiд згладжування всього зображення погiршуе якiсть
зображення текстур i заповнення полк-ошв, але досягаеться суттеве пiдвищення швидкоди згладжування [7].
Завдяки збiльшенню потужносп сучасних комп'ютерiв стало можливим використання методiв постобробки зображення. На ввдмшу вiд мультисемплiнгу, методи остобробки [5] зображення виконуються на фiнальному еташ рендерiнгу. У цьому випадку пвд час антиалiайзингу перевiряеться готове зображення та корегуеться колiр пiкселiв, щоб зменшити недолiки згладжування. Всi методи постобробки можуть бути поеднанi з методами мультисемплшгу, щоб використовувати можливосп обох методiв [8].
Мета статть Метою дано1 статтi е анатз iснуючих методiв антиалiайзингу та ïx класифiкацiя вiдповiдно до рiзниx критерпв.
Класифiкацiя методiв антиалiайзингу. Суперсемплiнг - технолопя згладжування методом "грубо1 сили". Рендерiнг сцени виконуеться з розд№ною здатнiстю, яка кратно перевищуе необхвдну роздiльну здатнiсть екрану, а попм проводиться зменшення зображення. При цьому кожен тксел обробляеться на основi маски, яка вiдповiдае встановленому коефщенту масштабування [6].
Наприклад, при роздшьнш здатностi 1024 768 i субпiксельнiй масщ 22 рендерiнг виконуеться при вiртуальнiй роздiльнiй здатностi 2048 1536. Це вимагае вчетверо бiльшого обсягу пам'ятi. Ця методика стала стандартною в ^ових 3D-прискорювачаx.
Один iз методiв [4, 6] суперсемплшгу полягае в тому, що фреймбуфер дiлиться на фрагменти (тайли). Кожен фрагмент обробляеться в бшьшш роздiльнiй здатностi, вiдповiдно субшкселнш масцi, а потiм масштабуеться до меншоï роздiльноï здатностi. Ця методика застосовуеться в ввдеокарп PowerVR 250.
Можлива реалiзацiя рендерiнгу в калька проxодiв (наприклад, для маски 2 2 - у 4 проходи). Щоразу ви координати змiщуються на деякий крок. Пром1жний результат зберiгаеться в буферь акумуляторi. Результат кожного проходу тдсумовуеться з буфером. Перевага тако1 реатзацп -невимогливiсть до обсягiв пам'яп (навiть для маски 4 4 потрiбно обсяг пам'ятi, як при звичайному рендерiнгу без антиалiайзингу). Метод застосовувався в деяких професiйниx OpenGL-прискорювачах.
Вибiрки в методi SSAA можуть мати рiзне фiзичне розташування всерединi тксела [3]. Залежно вiд того, який тип решiтки використовують для розташування вибiрок, 1х можна класифiкувати, як показано на (рис.1).
Рис. 1. Методи суперсемплшгу за типом решики
Метод OGSS (Ordered Grid Super-sampling) засновано на cnoco6i розташування B^ipoK [6]. Упорядкована pешiтка (рис. 2, а) вказуе пoзицiю пiдpахункiв ввдносно окремо взятого пiксела - вибраш надлишкoвi точки розташовуються у фopмi впорядковано! pешiтки.
а) б)
Рис. 2. Решика а) упорядкована, б) повернута
Метод добре обробляе прямокутш зображення. Недолжом використання методу OGSS е неефективне згладжування лшш шд кутом, наближеним до 45°.
При RGSS - Rotated Grid Super-sampling - надлишкoвi вибipки розташовуються на пoвеpнутiй на певний визначений кут решищ (рис. 2, б). Такий метод дае особливо хopoшi результати для лшш, близьких до горизонтальних чи вертикальних.
Ще одним з метoдiв SSAA е SGSS - Sparse Grid Super-sampling - коли дoдаткoвi точки розташовуються теж на упорядкованш решищ (рис. 3, а), проте, вибipка здiйснюеться лише в деяких вузлах решики [6]. Такий метод забезпечуе кoмпpoмiс мiж швидкoдiею та яшстю зображення. Швидкoдiя зростае, але при цьому попршуеться як1сть обробки зображення.
а) б) в)
Рис. 3. Реш1тки а) розрвджена, б) спотворена, в) стохастична (випадкова)
У вщеокартах часто використовують вибipки зi "спотвореною" pешiткoю JGSS - Jittered Grid Super-sampling. Використання такого методу допомагае приховати артефакти, як1 повторюються в зображенш з певною pегуляpнiстю.
Характерна особливють JGSS полягае в тому, що poзмiщення шаблoнiв змiнюються так, щоб вони не збталися з решикою, яку використовуе SSAA (рис. 3, б). Продовженням розробки методу JGSS е метод стохастично! вибipки SSSAA - Stochastic Super-sampling. У цьому метoдi кожен "семпл" обираеться випадковим чином (рис. 3, в), у той час як в JGSS стохастично (випадково) зсуваеться вся решика вибipoк. Таким чином, при застосуванш методу стохастично! вибipки в зображенш з'являеться "бший шум", який допомагае приховати артефакти вiзуалiзацi!.
Основною перевагою метoдiв SSAA е те, що вони мають вiднoснo просту апаратну pеалiзацiю та не залежать вщ характеру i специфiки oб'ектiв сцени, що вщображаються.
Оснoвнi недoлiки даних метoдiв полягають у великий обчислювальнш складнoстi, що суттево впливае на швидкодш формування зображення, а також у використанш великих масивiв оперативно! пам'яп. Тому актуальними е питання зменшення кiлькoстi вибipoк за рахунок аналiзу зображення тiльки у безпосереднш близькoстi ввд меж гpафiчних об'екпв.
Розглянемо методи мультисемплiнгу MSAA. Вперше технолопю мультисемплiнгу (Multi-sampling Anti-Aliasin) запропоновувала кoмпанiя 3DFx у 2000 рощ. Мультисемплшг pеалiзуеться таким чином. Ввдеопроцесор знаходить пiксели, poзташoванi на границ пoлiгoнiв. Залежно ввд piвня мультисемплiнгу процесор poздiляе пiксел на 2, 4, 8 субmкселiв, а попм усереднюе кoлip кожного з них вщповвдно до кольору субпiкселiв. При цьому не спoстеpiгаеться суттевого падшня пpoдуктивнoстi як при суперсемплшгу, осшльки процесор опрацьовуе лиш п дiлянки ображення, де е межi мiж пoлiгoнами, а також тому, що текстура для кожного субшксела одна i та ж [7].
Особливосл pеалiзацi! мультисемплiнгу у виробнишв вiдеoкаpт залежать ввд того, як оргашзовано розбиття пiксела на субшксели. Розробники вiдеoадаптеpiв NVidia використовують прямокутну pешiтку для вибору субпiкселiв. Це значить, що пiксел дшиться на субпiксели по вертикальних i горизонтальних лiнiях i в такому випадку пiксели розташовуються рядками i стовпцями в утвopенiй pешiтцi (рис. 4).
Рис. 4. Розташування решики ввдеоадаптерш NVidia
При мультисемплiнгу 2х кожен пiксел дiлиться на два субшксели так, що центрами субmкселiв стають центри вертикально розташованих прямокутнишв (рис. 5, а).
Ш
а) б)
Рис. 5. Шксели при 2х мултисемплшгу Якщo для меж1, щo пpoxoдить, мгж двoмa пoлiгoнaми, не зaстoсoвyвaти мyльтисемплiнг, тo в тaкoмy випaдкy бyде дoбpе виднo чiткy сxoдинкy - веpxнiй лiвий тa нижнiй пpaвий пiксели 6удуть чopнoгo кoльopy, a двa пpoтилежнi мaтимyть бiлий кoлip. Koли зaстoсyвaти 2x мyльтисемплiнг, то беpеться дo yвaги кoлip кoжнoгo сyбпiкселa в пiкселi, a oстaтoчний кoлip всьoгo пiкселa пpиймae сеpеднe знaчення кoльopy сyбпiкселiв. Taким чишм, веpxнiй лiвий тa нижнiй пpaвий пiксели зaлишaться пiсля мyльтисемплiнгy чopними, a веpxнiй пpaвий тa нижнш лiвий будуть вже не бшими, a сipими, зaбезпечyючи плaвний пеpеxiд мiж кoльopaми, Пpи цьoмy згладжуються видимi сxoдинки (pис. 5, б).
^и мyльтисемплiнгy 4x пiксел дiлиться нa 4 сyбпiксели i пoвтopюeться aлгopитм тaкий же, як i ^и мyльтисемплiнгy 2x. Пpи цьoмy бiльш тoчнo пpopaxoвyвaтиметься кoлip пiкселa, oскiльки oстaтoчний кoлip буде дopiвнювaти сеpедньoмy знaченню кoльopy не двox, a чoтиpьox сyбпiкселiв (pис. 6, a).
ч • • •
• \ • •
• • ч •
• • • \
а) б)
Рис. 6. Шксели при 4х мультисемплшгу
Poзpaxyнoк кoльopy пiкселa вiдбyвaeться з меншим кpoкoм, тому зглaджyвaнa лiнiя буде з меншими сxoдинкaми (pис. 6, б).
Режим мультисемплшгу 8x aнaлoгiчний пoпеpеднiм 4x i 2x, тiльки в pезyльтaтi oтpимyeмo вдвiчi бiльше сyбпiкселiв. Це пoкpaщye пiдсyмкoве зoбpaження, aле пpизвoдить дo знaчнoгo зниження пpoдyктивнoстi.
Oстaннiм чaсoм у зaсoбax кoмп'ютеpнoï гpaфiки шиpoкo викopистoвyють aнтиaлiaйзинг нa oснoвi пoстoбpoбки. Mетoди пoстoбpoбки зoбpaження зa спoсoбoм зaстoсyвaння метoдiв мoжнa poздiлити нa двi гpyпи (pис. 7): методи, щo зaстoсoвyються дo меж зoбpaжень, i метoди, щo зaстoсoвyються дo всьoгo зoбpaження.
Рис. 7. Остовт метoди пocтoбрoбки зoбрaжеиия
Метод (SRAA - Subpixel Reconstruction AntiAliasing) являе собою мехашзм пошкселно! iнтерполяцii, що застосовуеться до вже готового зображення [9]. Згладжування застосовуеться до зображення, яке опрацьованого шейдером, шляхом застосування суперрозгортки для глибини i буферiв нормалiв, тобто фактично е фiльтром постобробки зображення. Порiвнюючи з методами суперсемплiнгу, де згладжування здшснюеться на етапi формування зображення, в методi SRAA мають мюце мiнiмальнi втрати продуктивностi, оск1льки SRAA застосовуеться до всього зображення в цшому i характеризуеться високою швидюстю обробки [9].
Розробники методу наводять данi власних дослiджень [9], зпдно з якими досягаеться висока швидкодiя порiвняно з методами суперсемплiнгу. Так, на згладжування зображення з роздшьною здатшстю 1280 720 методами надлишковоi вибiрки витрачаеться 5-10 мс, в той час, як ф№тр SRAA виконуе згладжування за 1,8 мс, а яшсть остаточного зображення зiставна з результатами роботи традицшного згладжування в режимах 4-16x. Також метод SRAA мае фшсований час виконання фшьтрацп, що теж спрощуе його використання [9].
MLAA - Morphological Anti-Aliasing - морфолопчний антиалiайзинг - один з методiв постобробки зображення. MLAA призначений для згладжування у ввдображуваних зображеннях без додаткових вибiрок. Метод складаеться з трьох основних етатв: а) знаходження меж1 мiж ткселами в зображеннi; б) визначення вшповшносп геометрii' знайдених меж стандартним зразкам U, Z, L; в змшування кольорiв в околi цих знайдених меж. Найбшьший недолiк MLAA полягае в тому, що вш нездатен впоратися з лшями, товщина яких спiврозмiрна з розмiром пiксела [10].
TXAA - Temporal AntiAliasing - метод згладжування кiнематографiчноi якосп зображення, розроблений для усунення часового алiайзингу (сповзання та мерехтiння при рухов^ [5]. Технологiя, яка використана в метода е комбiнацiею часового ф№тра, апаратного згладжування i спецiальноi комп'ютерноi графiки високо1' якостi. Для фшьтрацп пiкселiв на екранi TXAA використовуе вибiрку семплiв як всерединi, так i зовнi пiксела, в поеднанш з вибiрками з попереднiх ка^в, щоб забезпечити найвищу якiсть фшьтрацп. TXAA мае покращену просторову фшьтрацш, наприклад, при вiдтвореннi листя, огорож чи об'екпв у русi [11].
Ще один метод постобробки згладжування FXAA - FastApproximate Anti-Aliasing. Метод реалiзовано таким чином. Знаходяться ва пiксели на межах зображення. Для цього проводиться аналiз пiкселiв, чи мають вони сусвдш пiксели, яш вже не належать до графiчного примiтиву. Наступним кроком е згладжування кра1'в. Згладжування реалiзуеться попiкселно, осшльки вiдсутнi чiткi крш', а е лиш визначенi пiксели, як1 розташовуються на межах у зображеннi. Попм кольори змiшуються саме в знайдених граничних пiкселах та в 1'х найближчому оточеннi. Довгий час метод не був реалiзований у виглядi окремих програмних засобiв, а мав вбудовуватись в програмний код при розробш зображень (iгор або ввдео), але з 2011 року ця проблема виршена.
У табл. 1 наведеш кiлькiснi показники вибiрок для основних режимiв описаних методiв антиалiайзингу.
Таблиця 1
Виб1|)ки з кiлькiсними показмиками для кожного режиму рпних методiв амтиалiайзимгу_
Режим
Шейдер
Текстура
В^рки (семпли)
Колiр
Глибина
Шаблон
Покриття
Без AA
1
1
1
1
0
2xSSAA
2
2
0
4xSSAA
8xSSAA
2xMSAA
4xMSAA
4xMSAA + 2xSSAA
8xMSAA
16xMSAA
16
16
16
4xCSAA
8xCSAA
16xCSAA
16
32xCSAA
32
4xMSAA + 8xCSAA
8xMSAA + 2xSSAA
8xMSAA + 8xCSAA
4xMSAA + 16xCSAA
16
16xMSAA+ 4xSSAA
16
16
16
8xMSAA + 16xCSAA
16
8xMSAA + 32xCSAA
32
32xMSAA+ 4xSSAA
32
32
32
1
2
2
2
4
4
4
4
4
0
8
8
8
8
8
0
2
2
2
0
4
4
4
0
4
4
4
0
8
8
8
0
0
4
4
4
4
4
4
4
8
4
4
4
4
4
4
8
8
8
8
0
8
8
8
8
4
4
4
0
8
8
8
8
8
8
4
4
0
Вмакжки. Зaпропоновaно клaсифiкaцiю методiв суперсемплшгу тa методiв постобробки зобрaження. Проaнaлiзовaно методи мyльтисемплiнгy. Няведено тaблицю вибiрок для рiзниx режимiв методiв aнтиaлiaйзингy.
Лiтeрaтурa
1. Фоли Дж. Основы интерaктивной мaшинной гpaфики. I Дж. Фолi, А. Ban Дем. - М. : Мир, 1985. -384 с.
2. Роджерс Д. Алгоритмические основы мaшинной грaфики. / Д. Роджерс .- М. : Мир,1989. - 512 с.
3. Дон Волкорський Anti-Aliasing Analysis, Part 1: Settings And Surprises - [Електронний ресyрс]; Режим доступу : http://www.tomshardware.com/reviews/anti-aliasing-nvidia-geforce-amd-radeon,2SбS. html
4. Aнaлiз теxнологiй суперсемплшгу. : О. H. Ромaнюк, О. В. Мельник, /Сборник шучныи трудов по мaтериaлaм междyнaродной нayчно-прaктической конференции «перспективные инновaции в гауке, обрaзовaнии, производствa и трaнспорте 2010», / Одессa, 2010 г., - С. 45-47.
5. Jorge Jimenez ,Jose I. Echevarria,Tiago Sousa,DiegoGutierrez: SMAA: Enhanced Subpixel Morphological Antialiasing; EUROGRAPHICS 2012, Volume 31 (2012), Number 2.
6. Aнaлиз методов сглaживaния га основе super-sampling - [Електронний ресурс]; Режим доступу : http://www.ixbt.com/video/fsaa-an-1.html
7. Пугач Е. А. Современные теxнологии сглaживaния зобрaженийI Е. А. Пугач //- [Електронний ресурс]; Режим доступу : http://www.3dnews.ru/editorial/aliasing
S. Anti-aliasing technologies [Електронний ресурс] - Режим доступу :
http://www.dahlsys.com/misc/antialias/index.html#anti-aliasing-based-on-post-processing.
9. SRAA — новый метод сглaживaния от NVIDIA [Електронний ресурс] Режим доступу lab.com/sraa-new-antialiasing-method-from-nvidia.html
10. Reshetov A. Morphological Antialiasing - [Електронний ресурс]; Режим доступу computing.intel-research.net/publications/papers/2009/mlaa/mlaa.pdf
11. TXAA (временное сглaживaние) [Електронний ресурс] - Режим http://www.nvidia. ru/obj ect/txaa-anti-aliasing-technolo gy-ru. html
: http://ru.hw-: http://visual-доступу :
