Anti-Aliasing verstehen: 6 Typen & Methoden für glatte digitale Bilder

Um Anti-Aliasing zu verstehen, müssen wir zuerst das Konzept des Aliasing begreifen.

Sie haben wahrscheinlich schon pixelierte oder gezackte Kanten auf Ihrem Bildschirm beim Ansehen von Videos oder Spielen erlebt. Diese „Jaggies“ (Treppchen) nennt man Aliasing. Es mindert das gesamte Seherlebnis.

Aber warum tritt Aliasing auf?

Die auf dem Bildschirm dargestellten Bilder bestehen aus winzigen Quadraten, den Pixeln. Jedes Pixel, das kleinste steuerbare Bildelement, hat seine eigene Intensität und Farbe. Vertikale und horizontale Linien können präzise auf quadratische Pixel abgebildet werden, aber gekrümmte Linien oder diagonale Bilder müssen punktweise angepasst werden. Wenn Pixel entlang der Kante entweder an oder aus sind, entstehen gezackte Kanten (Aliasing oder Treppeneffekt).

Die offensichtliche Lösung zur Vermeidung von Aliasing ist die Erhöhung der Bildschirmauflösung, aber nicht jeder kann sich einen High-End-Monitor leisten. Deshalb haben Ingenieure mehrere Techniken entwickelt, um die Auswirkungen von Jaggies zu reduzieren. Eine dieser effektiven Techniken ist Anti-Aliasing.

Was ist Anti-Aliasing?

Anti-Aliasing ist eine Technik, bei der die Kanten der Pixel mit den umliegenden Pixeln vermischt werden, um die Illusion einer glatteren Kante zu erzeugen. Das klingt einfacher, als es ist: Sie fordern Ihren Computer auf, Millionen von Pixeln pro Frame zu verarbeiten und die Kanten zu glätten.

Die CPU/GPU glättet Kanten, indem sie die Farben entlang aller Kanten anpasst. Anstatt das Pixel an oder aus zu schalten, setzt der Prozessor es dazwischen. Zum Beispiel könnte eine weiße Diagonale auf schwarzem Hintergrund an den Kanten Schattierungen von dunkel- und hellgrau statt rein weiß und schwarz haben.

Vergrößerte Darstellung von aliasiertem vs. anti-aliasiertem Strich

Anti-Aliasing-Algorithmen sind darauf ausgelegt, digitale Bilder aus einer bestimmten Entfernung natürlich aussehen zu lassen. Gezoomt wirken anti-aliasierter Text und Bilder aufgrund der angepassten Pixel unscharf.

Neben digitaler Fotografie und Computergrafik wird Anti-Aliasing auch in der digitalen Audiotechnik eingesetzt (um unerwünschte Frequenzen aus abgetastetem Audio zu entfernen). In diesem Übersichtsartikel konzentrieren wir uns auf den visuellen Bereich.

Jaggies fallen auf modernen HiDPI-Bildschirmen (high dots per inch) kaum auf, da sie dichtere Pixelraster haben, die Bilder schärfer darstellen. Dennoch profitieren auch diese hochauflösenden Bildschirme von Anti-Aliasing.

Es gibt verschiedene Arten von Anti-Aliasing-Techniken, um das Seh- und Spielerlebnis zu verbessern. Jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Lassen Sie uns die acht beliebtesten Arten im Detail besprechen.

1. Supersampling Anti-Aliasing (SSAA)

Vorher (links) und nachher (rechts) bei Anwendung von SSAA

Bietet außergewöhnliche Bildqualität, aber beeinträchtigt die Leistung

Auch bekannt als Full-Scene Anti-Aliasing (FSAA), ist Supersampling Anti-Aliasing (SSAA) eine der ältesten und effektivsten räumlichen Techniken. Sie eignet sich perfekt für fotorealistische Bilder, da sie dem Bild weichere Erscheinung verleiht und es lebensechter wirken lässt.

Bei dieser Methode wird das anzuzeigende Bild in einer viel höheren Auflösung gerendert. Farbproben werden von überzähligen Pixeln genommen, die im Niedrigauflösungsbild nicht vorhanden waren, und der durchschnittliche Farbwert wird berechnet.

Wenn das Bild verkleinert wird, wird der Durchschnittswert angewendet, um Jaggies zu entfernen. Das ergibt ein heruntergerechnetes Bild mit viel weicheren Übergängen. Die Ausgabequalität hängt von der Anzahl der Farbproben ab: je mehr Proben, desto höher die Qualität.

Obwohl diese Technik hervorragende Bildqualität liefert, verschlechtert sie die Leistung, da das Rendern in hoher Auflösung viel Rechenleistung erfordert. Deshalb wird sie im Gaming nicht mehr weit verbreitet eingesetzt.

Ein weiterer Nachteil: Bilder mit vielen vertikalen oder horizontalen Linien werden negativ beeinflusst. Diese Linien (von Natur aus scharf) erscheinen nach der Verarbeitung weich.

2. Multisample Anti-Aliasing (MSAA)

Bildquelle: Nvidia

Benötigt relativ weniger Rechenressourcen, liefert aber geringere Bildqualität

Multisample Anti-Aliasing ist ein Spezialfall des Supersamplings, bei dem bestimmte Bildkomponenten nicht vollständig supersampelt werden. Nur die Kanten des Polygons (die häufigste Aliasing-Quelle in 3D-Grafik) werden anti-alisiert. Texturen werden nicht geglättet.

Genauer gesagt: Wenn CPU/GPU ein Bild rendert, unterscheidet sie zwischen zwei Komponenten: Polygon und Textur. Zuerst wird die allgemeine Form oder Kontur eines Objekts (Polygon) gezeichnet, dann mit einer Textur gefüllt. MSAA glättet nur Jaggies am Polygon, lässt Texturen unverändert.

Da MSAA nicht alle Teile des Endbildes verarbeitet, ist es effizienter und benötigt weniger Rechenressourcen als SSAA. Allerdings liefert es geringere Bildqualität und kann Transparenzen nicht behandeln.

3 & 4. Coverage Sampling Antialiasing (CSAA) & Enhanced Quality Anti-Aliasing (EQAA)

MSAA (links) vs. CSAA (rechts) [engere Kantenauflösung bei CSAA]

Beide bieten bessere Qualität bei minimalem Performance-Verlust

GPU-Hersteller AMD und NVIDIA haben eigene räumliche Anti-Aliasing-Methoden entwickelt. NVIDIA schuf CSAA, AMD EQAA. Obwohl sie unterschiedliche Namen tragen, funktionieren sie ähnlich.

Bei beiden Methoden identifiziert die GPU das Polygon im Bild und berechnet, welche Bereiche des Polygons wahrscheinlich Jaggies haben. Dann supersampelt sie nur diese Pixel.

Da nicht das gesamte Bild verarbeitet wird, benötigt die GPU erheblich weniger Rechenleistung. Zudem benötigen CSAA und EQAA keine zusätzlichen Farb-/Tiefen-/Stencil-Samples. Somit verbrauchen sie im äquivalenten Modus denselben Videospeicher wie MSAA.

5 & 6. Morphological Anti-Aliasing (MLAA) & Fast Approximate Anti-Aliasing (FXAA)

Implementierung der FXAA-Methode (Schritt-für-Schritt von links nach rechts, oben nach unten) | Quelle: NVIDIA

Schnell, benötigt wenig Rechenressourcen, aber nicht geeignet für Bilder mit detaillierten Texturen

NVIDIA und AMD haben zwei Post-Process-Anti-Aliasing-Techniken entwickelt: Fast Approximate Anti-Aliasing (FXAA) und Morphological Anti-Aliasing (MLAA). Beide funktionieren gleich – der Pixel wird nach dem Rendern verwischt.

Bei Post-Process-Methoden vergleicht die GPU den Farbkontrast zwischen zwei benachbarten Pixeln, um die Kante eines Polygons zu bestimmen. Pixel mit ähnlicher Farbe und Intensität gehören meist zum gleichen Polygon. Nach Erkennung der Kante verwischt die GPU die Pixel proportional zu ihrem Kontrast. Im Gegensatz zu MSAA, das bei deferred Rendering nicht funktioniert, können MLAA und FXAA Kanten im Bild präzise erkennen und spezifische Muster lokalisieren. Beide sind sehr schnell und benötigen weniger Rechenressourcen als räumliche Methoden. „Verwischen“ hat sich als effektiv erwiesen, da es den starken Kontrast zwischen ungleichmäßig ausgerichteten Pixeln beseitigt, die Jaggies verursachen. Allerdings kann Unschärfe bei Bildern mit dynamischer Beleuchtung und detaillierten Texturen leicht auffallen.

7. Enhanced Subpixel Morphological Anti-Aliasing (SMAA)

Beispiel für SMAA 4x integriert in Crysis 2

Kombiniert sowohl räumliche als auch Post-Process-Anti-Aliasing-Methoden

Diese Post-Processing-Technik kombiniert morphologisches Anti-Aliasing (MLAA) mit zusätzlichen Multi-/Supersampling-Strategien (MSAA, SSAA) für präzise Subpixel-Features.

SMAA liefert bessere Bildqualität bei außergewöhnlich schneller Ausführungszeit. Genauer: Es liefert sehr genaue Gradienten und zeitliche Stabilität bei minimalem Overhead. Das macht es zur bevorzugten Wahl für Low-End-Konfigurationen.

8. Temporal Anti-Aliasing (TXAA)

Bietet bessere Bildqualität als FXAA oder MLAA, erfordert aber deutlich mehr Rechenressourcen

Diese komplexe Methode nutzt sowohl Verwischen als auch Supersampling, um scharfe Grafiken und flüssige Bewegungen zu erzeugen. Kurz gesagt: Sie zielt darauf ab, ein gleichmäßiges Bewegungsniveau in einer virtuellen Umgebung beizubehalten.

In den letzten Jahren haben Forscher Adaptive Temporal Anti-Aliasing (ATAA) entwickelt, das die Mängel von TXAA behebt. Zum Beispiel eliminiert es Verwisch- und Ghosting-Artefakte ohne nennenswerten Performance-Verlust. ATAA-Ergebnisse kommen nahe an das, was 16x Supersampling leisten könnte.

Weiterlesen: 18 beste Videobearbeitungssoftware | Kostenlos und kostenpflichtig

Welche Anti-Aliasing-Methode sollten Sie verwenden?

Wenn Sie Ihre Hardware gut kennen und wissen, welche Leistung Sie von Ihrem System erwarten, fällt die Entscheidung leichter.

Die folgenden Fragen helfen bei der richtigen Wahl:

• Wie sind Ihre GPU-Spezifikationen?
• Wie anspruchsvoll sind Ihre Spiele grafisch?
• Welche Grafikfeatures sollen perfekt sein, und welche sind Ihnen egal?

Bei leistungsstarker High-End-Gaming-Hardware sollten Sie SSAA, MSAA und TXAA wählen. Bei mittelstarker CPU/GPU eignen sich MSAA, FXAA oder MLAA. Bei schwächerer Gaming-Hardware, die hohe Framerates nicht bewältigt und zu Überhitzung neigt, sind CSAA oder SMAA vorzuziehen.

Sie können auch mit Ihren Grafikeinstellungen experimentieren, um herauszufinden, was Ihre CPU/GPU leisten kann. Es gibt Dutzende Parameter zum Anpassen: Auflösung, Schattenqualität, Sichtfeld, Sichtdistanz, Textur, anisotrope Filterung.

Es ist ratsam, mit der niedrigsten Konfiguration zu beginnen und sich dann zu höheren, detaillierteren Stufen vorzuarbeiten. Obwohl dies mühsam ist, ist es der einfachste Weg, um das beste Spielerlebnis auf Ihrer Maschine zu ermitteln.

Angesichts der jüngsten Fortschritte bei Grafikprozessoren und Display-Technologie lohnt es sich kaum noch, sich über Anti-Aliasing Gedanken zu machen. Tatsächlich benötigen neuere Videospiele und ultrahochauflösende Bilder gar kein Anti-Aliasing mehr.

Weiterlesen: 22 faszinierende Fakten über Videospiele | Statistiken und Geschichten

Es ist dennoch gut, über verschiedene Anti-Aliasing-Typen Bescheid zu wissen, um fundierte Entscheidungen über die Balance von Visuals und Leistung Ihres nächsten Desktops zu treffen. Das Wissen ist auch nützlich, wenn Sie professionelle Videos bearbeiten oder Ihr eigenes Spiel entwickeln möchten.