游戏里经常看见的“锯齿”是如何产生的？
三月CG讲堂2020-06-07 12:35
01序言
很多玩家对于游戏“锯齿”现象并不陌生，这种在场景物体边缘产生的锯齿样形变常常令玩家感到不爽。除了不美观以外，还会造成一些闪烁的不适感。
这种锯齿的产生原因是什么？为了减少这种现象，计算机图形领域又做出了怎样的对抗？本文会一一解答这些问题。
02为什么会产生锯齿
锯齿的产生，其实是计算机图形原理上的问题。
真实世界中的场景的图像信号是连续的，当你使用照相机去拍下一张照片，实际上就是对真实世界做了一次“采样”。因为计算机里的图像是由一个个像素单位组成的，每个单位都是独立的个体，每个像素都储存一个颜色信息，这就是计算机、手机等记录图像的一个特性——离散化。
同样在三维渲染领域中，三维的场景就相当于“真实世界”，它们所记录的信号是连续的。但是计算机将三维场景完成渲染（这一步骤就相当于相机记录光学信息）之后，还需要将渲染出来的场景映射到屏幕像素上面。映射到屏幕像素，就代表本来连续的信号，被一个个像素采样了，原本连续的信号变成离散的信号，就会导致一部分信息的丢失。
举个例子，这是一个还没有映射到屏幕像素上的已经被渲染好的三角形。（图片来自Beyond3D网站中的《Diving into Anti-Aliasing》）
按照屏幕像素映射规则：每个像素块的中心点如果在三角形的区域内，那么我们就将该像素的颜色信息记为1（在这里就是100%的白色）；如果像素的中心点不在渲染出来的三角形区域内，那这个像素的颜色信息就是0（在这里就是100%的黑色）。
按照这个映射规则，最终到达屏幕上的三角形，就出现了信息丢失，这就是锯齿产生的根本原因。也就是说，锯齿是一个“不得不”产生的东西，它是原理性的问题。自然世界的信号是连续的无穷的，但是计算机不能够处理无限多的信号，只能使用这种“离散化”的取样方式，去大致的记录自然世界的色彩。也就是说，照片在诞生的那一刻，就注定是“折衷”了的效果，是一种不完全和现实世界中一样的效果。
03怎么减少锯齿带来的影响
锯齿的产生使得实时渲染画面质量大打折扣，计算机图形领域也开发了很多的技术去抵抗锯齿带来的影响，这些技术统称“抗锯齿技术”，即我们经常在游戏里看到的“抗锯齿”选项。
抗锯齿的其中一个原理就是对每个像素多增加一些采样点（原本只有一个采样点，就是像素中心点），根据采样点落入三角形区域的多少，来衡量这个像素应该记录多少颜色信息。这一过程相当于平滑了锯齿的边缘，因为原本只有100%的黑和100%的白，而抗锯齿带来了一些中间色，就可以减少锯齿的锐利性，从而也减少了锯齿。
关于抗锯齿技术的内部细节还很复杂，不同的抗锯齿技术，采用的具体方法也不一样，而且也不是每一个抗锯齿技术都是使用增加采样点的方式来进行的，本文篇幅有限不再赘述。
04常见抗锯齿技术简述
游戏里常见的抗锯齿技术，在这里笔者会做简要介绍。
FXAA（Fast Approximate Anti-Aliasing，快速近似抗锯齿），这是一种效果一般但是开销低的抗锯齿方案，在相当多的游戏里都有应用。这种抗锯齿技术并不会很大程度优化画面，但也不会对系统有过多的负担。
FSAA（Full Screen Anti-Aliasing，全屏抗锯齿）或称为SSAA（Super Sampled Anti-Aliasing，超级采样抗锯齿），这种抗锯齿技术虽然效果相对好一些，但是设计上非常极端，以至于一般的机器不会选择去开启。这种抗锯齿方法通常需要成倍的GPU性能作为代价，来生成一个相对平滑的效果
MSAA（MultiSampled Anti-Aliasing，多重采样抗锯齿），MSAA是针对FSAA（SSAA）进行优化的一种方案，开销没有FSAA（SSAA）那么恐怖，还原度也很好。
TXAA（Temporal Anti-Aliasing，也称TAA，时间性抗锯齿），是NVIDIA开发的一种抗锯齿方案，效率和效果兼得，是一种很先进的抗锯齿技术。但是会一定程度上导致画面的模糊。
DLSS（Deep Learning Super Sampling，深度学习超级采样），是伴随着NVIDIA RTX技术而生的一种新型抗锯齿方案，将传统的由本机进行操作的超级采样部分的工作由深度学习去完成。如今DLSS2.0已经推出，效果和效率上都有了一定的保障，但是在游戏内的支持率还比较低。
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