Was ist Anti-Aliasing? 6 verschiedene Typen und Methoden

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

Möglicherweise sind beim Ansehen von Videos oder beim Spielen von Videospielen verpixelte oder gezackte Ränder auf Ihrem Bildschirm aufgetreten. Diese „Jaggies“ werden als Aliasing bezeichnet. Es verringert das allgemeine Seherlebnis.

Aber warum tritt Aliasing auf?

Die auf dem Bildschirm angezeigten Bilder bestehen aus winzigen Quadraten, den sogenannten Pixeln. Jedes Pixel, das kleinste steuerbare Element eines Bildes, hat seine eigene Intensität und Farbe. Vertikale und horizontale Linien können präzise auf quadratische Pixel abgebildet werden, aber geschwungene Linien oder Bilder von Ecke zu Ecke müssen Punkt-zu-Punkt angepasst werden. Wenn Pixel entlang der Kante entweder aus- oder eingeschaltet sind, führt dies zu gezackten Kanten (Aliasing oder Treppenstufen).

Die offensichtliche Lösung, um Aliasing zu vermeiden, besteht darin, die Bildschirmauflösung zu erhöhen, aber nicht jeder kann sich einen High-End-Monitor leisten. Aus diesem Grund haben Ingenieure mehrere Techniken entwickelt, um die Auswirkungen von Zacken auf dem Bildschirm zu reduzieren. Eine dieser effektiven Techniken ist das Anti-Aliasing.

Was ist Anti-Aliasing?

Anti-Aliasing ist eine Technik, bei der die Kanten der Pixel mit den umgebenden Pixeln gemischt werden, um die Illusion einer glatteren Kante zu erzeugen. Dies ist nicht so einfach, wie es sich anhört:Sie sagen Ihrem Computer, dass er in jedem Frame Millionen von Pixeln verarbeiten und die Kanten glatter machen soll.

Die CPU/GPU glättet Kanten, indem sie die Farben entlang aller Kanten anpasst. Anstatt das Pixel ein- oder auszuschalten, platziert der Prozessor es irgendwo dazwischen. Beispielsweise kann eine weiße diagonale Linie auf schwarzem Hintergrund anstelle von Weiß und Schwarz an den Rändern dunkle und hellgraue Schattierungen aufweisen.

Eingezoomtes Bild der Linie mit Alias- bzw. Anti-Aliasing 

Anti-Aliasing-Algorithmen wurden entwickelt, um digitale Bilder aus einer bestimmten Entfernung natürlich aussehen zu lassen. Beim Heranzoomen erscheinen geglättete Texte und Bilder aufgrund der angepassten Pixel unscharf.

Neben digitaler Fotografie und Computergrafik wird Anti-Aliasing auch häufig in digitalem Audio verwendet (um unerwünschte Frequenzen aus abgetastetem Audio zu entfernen). In diesem Übersichtsartikel haben wir uns auf ersteres konzentriert.

Jaggies sind auf modernen HiDPI-Bildschirmen (High Dots per Inch) nicht wahrnehmbar, da sie über dichtere Pixelraster verfügen, die Bilder schärfer darstellen können. Aber auch diese hochauflösenden Bildschirme profitieren von Anti-Aliasing.

Es gibt verschiedene Arten von Anti-Aliasing-Techniken, um das Seh- und Spielerlebnis besser und immersiver zu gestalten. Jeder hat seine eigenen Vorteile und Mängel. Lassen Sie uns die acht beliebtesten Arten von Anti-Aliasing im Detail besprechen.

1. Supersampling-Anti-Aliasing (SSAA)

Vor (links) und nach (rechts) Anwenden von SSAA 

Bietet eine außergewöhnliche Bildqualität, beeinträchtigt aber die Leistung 

Auch als Full-Scene Anti-Aliasing (FSAA) bekannt, ist Supersaming Anti-Aliasing (SSAA) eine der ältesten und effektivsten räumlichen Techniken. Es ist perfekt für die Verarbeitung fotorealistischer Bilder, da es dem Bild ein weicheres Aussehen verleiht und es lebensechter aussehen lässt.

Bei dieser Methode wird das angezeigte Bild mit einer viel höheren Auflösung gerendert. Farbproben werden von überschüssigen Pixeln genommen, die im Bild mit niedriger Auflösung nicht vorhanden waren, und der durchschnittliche Farbwert wird gemessen.

Wenn das Bild verkleinert wird, wird der Durchschnittswert angewendet, um Zacken zu entfernen. Dies ergibt ein Downsampling-Bild mit viel weicheren Übergängen. Die Qualität der Ausgabe hängt von der Anzahl der Farbmuster ab:Je höher die Anzahl der Muster, desto höher die Qualität.

Obwohl diese Technik eine ausgezeichnete Bildqualität bietet, verschlechtert sie die Leistung, da das Rendern von Bildern mit hoher Auflösung viele Rechenressourcen beansprucht. Aus diesem Grund wird es in Spielen nicht mehr häufig verwendet.

Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist, dass sie Bilder mit vielen vertikalen oder horizontalen Linien negativ beeinflusst. Bei der Verarbeitung erscheinen diese Linien (die von Natur aus scharf sind) weich.

2. Multisample-Anti-Aliasing (MSAA)

Bildquelle:Nvidia 

Benötigt relativ weniger Rechenressourcen, erzeugt aber Bilder von geringerer Qualität

Multisample-Anti-Aliasing ist ein Sonderfall des Supersampling, bei dem bestimmte Komponenten des Bildes nicht vollständig supersampling sind. Nur die Kanten des Polygons (die häufigste Quelle für Aliasing in 3D-Grafiken) werden geglättet. Texturen werden nicht geglättet.

Genauer gesagt unterscheidet die CPU/GPU beim Rendern eines angezeigten Bildes zwischen zwei verschiedenen Komponenten:einem Polygon und einer Textur. Die CPU/GPU zeichnet zuerst die allgemeine Form oder den Umriss eines Objekts (Polygon) und füllt es dann mit einer Textur. MSAA passt nur Zacken auf dem Polygon an und lässt die Texturen so wie sie sind.

Da MSAA nicht alle Teile des endgültigen Bildes verarbeitet, ist es effizienter und erfordert weniger Rechenressourcen als SSAA. Es erzeugt jedoch Bilder von relativ geringerer Qualität und kann nicht mit Transparenzen umgehen.

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

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

Beide bieten eine bessere Qualität bei nur minimalen Leistungseinbußen 

Die GPU-Hersteller AMD und NVIDIA haben ihre eigenen Spatial-Anti-Aliasing-Methoden entwickelt. NVIDIA hat CSAA entwickelt und AMD hat EQAA entwickelt. Obwohl sie unterschiedliche Namen haben, funktionieren sie auf ähnliche Weise.

Bei beiden Methoden identifiziert die GPU das Polygon im Bild und berechnet, welche Regionen des Polygons wahrscheinlich Zacken aufweisen. Dann werden nur diese Pixel supersampelt.

Da nicht das gesamte Bild verarbeitet wird, benötigt die GPU wesentlich weniger Rechenleistung. Darüber hinaus erfordern sowohl CSAA als auch EQAA keine zusätzlichen Farb-/Tiefen-/Schablonenmuster. Somit verbrauchen sie den gleichen Videospeicher wie MSAA (im äquivalenten Modus).

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

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

Schnell, erfordert weniger Rechenressourcen, aber nicht für Bilder mit detaillierten Texturen geeignet

NVIDIA und AMD haben zwei Post-Process-Anti-Aliasing-Techniken entwickelt, die als schnelles ungefähres Anti-Aliasing bzw. morphologisches Anti-Aliasing bekannt sind. Beide funktionieren auf die gleiche Weise – Pixel sind nach dem Rendern unscharf.

Bei Anti-Aliasing-Verfahren nach der Verarbeitung vergleicht die GPU den Farbkontrast zwischen zwei benachbarten Pixeln, um zu bestimmen, wo sich die Kante eines Polygons befindet. Pixel mit ähnlicher Farbe und Intensität sind normalerweise Teil desselben Polygons. Sobald die Kante erkannt wurde, verwischt die GPU die Pixel proportional zu ihrem Kontrast.

Im Gegensatz zu MSAA, das für das verzögerte Rendering nicht funktioniert, können MLAA und FXAA Ränder im Bild genau erkennen und dann bestimmte Muster darin lokalisieren. Beide sind sehr schnell und benötigen weniger Rechenressourcen als die räumliche Methode. „Unschärfe“ hat sich als effektiv erwiesen, da sie den starken Kontrast zwischen seltsam ausgerichteten Pixeln, die Zacken verursachen, beseitigt. Bei Bildern mit dynamischen Blitzfunktionen und detaillierten Texturen kann jedoch leicht eine Unschärfe festgestellt werden.

7. Enhanced Subpixel Morphological Anti-Aliasing (SMAA)

Beispiel für SMAA 4x integriert in das Crysis 2-Spiel

Kombiniert sowohl Spatial- als auch Post-Process-Antialiasing-Methoden

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

SMAA liefert eine bessere Bildqualität bei gleichzeitig außergewöhnlich schnellen Ausführungszeiten. Genauer gesagt liefert es sehr genaue Gradienten und zeitliche Stabilität bei minimalem Overhead. Dies macht es zu einer bevorzugten Wahl für Low-End-Konfigurationen.

8. Temporales Anti-Aliasing (TXAA)

Bietet eine bessere Bildqualität als FXAA oder MLAA, erfordert jedoch viel mehr Rechenressourcen 

Diese komplexe Methode verwendet sowohl Unschärfe als auch Supersampling, um scharfe Grafiken und anmutige Bewegungen zu erstellen. Mit anderen Worten, es zielt darauf ab, ein gleichmäßiges Bewegungsniveau in einer virtuellen Umgebung aufrechtzuerhalten.

In den letzten Jahren haben Forscher Adaptive Temporal Anti-Aliasing (ATAA) entwickelt, das sich mit den Mängeln von TXAA befasst. So werden beispielsweise Unschärfe- und Geisterbild-Artefakte eliminiert, ohne dass die Leistung erheblich beeinträchtigt wird. Die ATAA-Ergebnisse sind nahe an dem, was 16x Supersampling liefern könnte.

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Welche Anti-Aliasing-Methode sollten Sie verwenden?

Wenn Sie die von Ihnen verwendete Hardware gut kennen und wissen, welche Leistung Sie von Ihrem Computer erwarten, können Sie leichter entscheiden, welche Anti-Aliasing-Technik für Sie am besten geeignet ist.

Die folgenden Fragen helfen Ihnen, die richtige Entscheidung zu treffen:

• Welche GPU-Spezifikationen haben Sie?
• Wie schwer oder grafisch anspruchsvoll sind deine Spiele?
• Welche Grafikfunktionen möchten Sie perfektionieren, und welche sind Ihnen egal?

Wenn Sie über eine leistungsstarke/hochrangige Gaming-Ausrüstung verfügen, sollten Sie sich für SSAA, MSAA und TXAA entscheiden. Wenn Sie eine CPU/GPU mit mäßiger Leistung haben, können Sie MSAA, FXAA oder MLAA auswählen. Und wenn Sie Gaming-Hardware niedrigerer Stufe haben, die keine hohen Bildraten verarbeiten kann und zu Überhitzung neigt, sollten Sie CSAA oder SMAA bevorzugen.

Sie können auch mit Ihren Grafikeinstellungen experimentieren, um herauszufinden, was Ihre CPU/GPU verarbeiten kann. Es gibt Dutzende von Parametern, die optimiert werden müssen, wie Auflösung, Schattenqualität, Sichtfeld, Sichtweite, Textur und anisotrope Filterung.

Es ist ratsam, mit der niedrigsten möglichen Konfiguration zu beginnen und dann zu höheren, detaillierteren Ebenen zu wechseln. Obwohl dies eine ziemlich mühsame Aufgabe ist, ist es der einfachste Weg, um herauszufinden, wie Sie das beste Spielerlebnis auf Ihrem Computer erzielen können.

Angesichts der jüngsten Fortschritte bei Grafikprozessoren und Anzeigetechnologie lohnt es sich jedoch nicht, sich über Anti-Aliasing Gedanken zu machen. Tatsächlich benötigen neuere Videospiele und ultrahochauflösende Bilder überhaupt kein Anti-Aliasing.

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Es ist immer noch eine gute Idee, sich mit den verschiedenen Arten von Anti-Aliasing vertraut zu machen, damit Sie fundierte Entscheidungen über das Gleichgewicht zwischen Grafik und Leistung Ihres nächsten Desktops treffen können. Die Informationen wären auch nützlich, wenn Sie sich jemals entscheiden, professionelle Videos zu bearbeiten oder Ihr eigenes Spiel zu entwickeln.