顯示卡 4 大反鋸齒技術探討：鋸齒的產生與消除，前處理、後處理之爭

提高取樣數解決影像鋸齒

難道說在螢幕自身解析度的限制下，我們就沒有辦法透過提高對3D模型的取樣數，達到反鋸齒的效果嗎？非也，其實我們還是可以提高取樣的數量，只要在輸出圖像之前降低解析度，一樣以達到反鋸齒的功效。

SSAA是反鋸齒基本

SSAA（Super Sample Anti-Aliasing，超級採樣反鋸齒）是對抗鋸齒最有效的方法之一，它的概念相當簡單，SSAA技術是以高於最終輸出值的解析度進行3D模型取樣與渲染，並且在輸出前對畫面進行降頻處理（Downsampling），將鄰近的像素的色彩取平均值，並產生1個新的像素，最終就可以產生較為平滑的畫像。

SSAA好處是原理非常單純，而且整個畫面都會經過反鋸齒處理，所以得到的畫像品質是所有方式中效果最好的。不過它的缺點也很顯而易見，在使用SSAA時，需要繪製更高解析度圖像，並且負擔降頻工作，所以SSAA對效能的耗損也是數一數二的嚴重。

▲提高解析度固然能降低圖像失真的程度，但是螢幕的解析度是有限的，所以我們需要換個方式來解決鋸齒問題，將多個取樣加總後取平均值，就是SSAA的基本概念。

取樣方式影響效果

在SSAA運作的過程中，程式會對取樣點（Sampling point）所在位置進行取樣，以確定依照取樣點排列方式的不同，可以分為循序排列（Ordered Grid）、旋轉排列（Rotated Grid）與隨機排列（Random Grid）等類別。

循序排列與旋轉排列是比較常見的取樣方式，取樣點都是以正方型方式排列，不同的是在旋轉排列中，每組取樣點都會旋轉特定角度。兩者之間並沒有絕對的優劣，但是由於像素本身就是以水平、垂直的方向排列，因此在這2個方向並不會產生鋸齒問題，然而旋轉排列能夠更精準地取樣這2個方向以外物件，因此在大部分實際情況中表現比較出色。

隨機排列的原理則比較特別，由於人眼對於固定模式形狀的辨識能力大於雜訊，採用隨機排列的方式進行取樣，就是把鋸齒隱藏在白色雜訊（White noise，意即將鋸齒變成均勻雜訊，並且平均分部在整個畫面中）中，讓人眼不容易辨識，但是每個像素通常需要16個或更多的取樣數才能獲得足夠的雜訊量，所以實用價值並不高。

▲對於對角線方向的物件邊緣來說，旋轉排列能夠有效率地利用取樣點，所以通常能比循續排列得到更好的反鋸齒效果。

白色雜訊 （White noise）

與白色雜訊相對的雜訊為有色雜訊，兩者的差別在於白色雜訊中各頻段的訊號強度皆相同，而有色雜訊則是各頻段訊號強度不盡相同。其「白色」稱呼的由來取自於白光，白光是由各種顏色的單色光混合而成，而白色雜訊則是由各種頻段的雜訊組合而成。

與白色雜訊相對的雜訊為有色雜訊，兩者的差別在於白色雜訊中各頻段的訊號強度皆相同，而有色雜訊則是各頻段訊號強度不盡相同。其「白色」稱呼的由來取自於白光，白光是由各種顏色的單色光混合而成，而白色雜訊則是由各種頻段的雜訊組合而成。

OGSSAA把圖像放大再縮小

為了閱讀的方便，筆者分別以OGSSAA與RGSSAA稱呼以循序排列、旋轉排列方式取樣的SSAA。OGSSAA的實作相對來說簡單許多，它只要將3D模型依比例放大，並渲染成解析度較高的圖像儲存於緩衝區中，並將此圖像降頻處理再輸出即可。

以套用2x OGSSAA於1920 x 1080解析度的遊戲為例，在3D模型繪圖完成後，程式會將模型投影於Z緩衝（Z buffer）／模板緩衝（Stencil buffer）的座標放大2倍，進行解析度為3840 x 2160的取樣，並且進行渲染成平面圖像，接著再將鄰近的4個像素的色彩取平均值，產生1個新的像素，最終就可以產生較為平滑，解析度為1920 x 1080的遊戲畫面。

▲OGSSAA的概念為繪製高解析度的圖像，再經由降頻處理消除畫面中的鋸齒。

Z緩衝（Z buffer）

由於一般的3D繪圖都是以三角型的多邊型（Polygon）做為繪圖基本元素，在渲染的過程中，處理單元會1個接著1個地渲染多邊型，但是它並不知道這些多邊型會不會被其他物件遮住，而不顯示在最終畫面上，所以我們需要能夠辨識景深的方法。

Z緩衝法是常用的方式之一，在渲染的過程中，Z緩衝會計算繪製出的每個像素與攝影機的距離（即Z值），並與儲存於緩衝區內的數值相比，如果計算出的距離比緩衝區內的數值遠，代表這個像素會被前方物體遮蔽，所以不會顯示於最終畫面。反之，如果數值比較近，就代表該像素會被看到，所以需要顯示於最終畫面。由於程式可以從Z緩衝中得知各多邊型的資訊，因此可以用來推算多邊型的邊緣。

RGSSAA需要渲染多張圖像

RGSSAA的取樣方式不會移動取樣點，而是透過移動圖片本身來達成，在3D模型繪製完成後，程式會將模型以小於像素的幅度「抖動」，如此一來就可以套用相對移動的概念，在不移動取樣點的方式，達到移動取樣點的效果。舉個例子來說，將3D模型往左上抖動，就可以取得右下位置的取樣點。

若是採用2x RGSSAA，在3D模型繪圖完成後，程式會以小於像素寬度的尺度微幅抖動模型，並分別渲染4張不同1920 x 1080的平面圖像，在降頻的過程中，只需把4張圖像對應位置的像素的色彩取平均值，就可以輸出經反鋸齒處理的平滑圖像。

▲RGSSAA則是繪製多張不同的圖像，以堆疊的方式取得經反鋸齒處理的3D畫面。

MSAA偷吃步賺效能

雖然SSAA能夠得到很好的反鋸齒效果，但是由於顯示卡需要負擔數倍於無反鋸齒圖像的運算量，所以不一定能夠讓遊戲流暢地執行，MSAA（Muitl-Sample Anti-Aliasing）就是為了解決這個問題而生。

由於鋸齒只會產生於非透明多邊型的邊緣部分，所以對於多邊型內部的像素進行反鋸齒處理，其實是種浪費效能的行為，MSAA在運作的過程中會分析與Z緩衝／模板緩衝中的資料，辨別前景多邊型的邊緣所在，並針對邊緣進行與反鋸齒處理。由於多邊型內部以及被遮蔽的部分不再需要進行多次取樣及運算，因此可以降低運算需求，提高效能表現。

早期的MSAA並不會檢查多邊型的透明度，以至於在透明、半透明物件後方的物件不會被施以反鋸齒處理，常見的例子如鐵絲網或是玻璃窗後方的物件。為了要解決這個問題，AMD 與NVIDIA分別推出Adaptive Anti-Aliasing與Transparency Anti-Aliasing，其最主要的差別在於這2種技術會檢查材質的透明度，若該材質為透明或半透明，那其後方物件也會進行反鋸齒處理，以改善MSAA的缺點。

（後面還有：跳過渲染階段效能更高）