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| 本文作者： 王銳 | 2016-03-01 12:02 |
按：作者王銳，VR領(lǐng)域資深從業(yè)者。
這個(gè)游戲的畫質(zhì)好差？
圖形渲染畫面的反走樣問題，亦或者稱之為抗鋸齒問題，對(duì)于游戲和圖形應(yīng)用的開發(fā)者而言絕對(duì)是一個(gè)老生常談的話題。簡(jiǎn)單描述的話，走樣問題總是源于圖像采樣率的不足所致。當(dāng)我們用一張1920x1080的畫面去表達(dá)一個(gè)復(fù)雜的游戲場(chǎng)景的時(shí)候，我們事實(shí)上是嘗試用一個(gè)個(gè)的像素點(diǎn)來描述觀察者眼中所見的幾何模型和材質(zhì)信息——而后者原本是可以通過精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)曲線和曲面去表達(dá)的——因此，使用有限的像素點(diǎn)就意味著我們只能從曲面上采集有限幾個(gè)位置的信息，來表達(dá)這個(gè)物體的形象。如果像素點(diǎn)的數(shù)量太少，那么它所呈現(xiàn)的物體可能會(huì)是失真、不準(zhǔn)確的，而物體的邊緣往往是鋸齒狀的，這正是記錄了不同采樣信息的像素點(diǎn)所留下的痕跡。
（via anteru.net）
而這還遠(yuǎn)不是問題的全部。另一種形式的走樣問題或許更為讓人頭疼：現(xiàn)代游戲開發(fā)者常用的一種豐富場(chǎng)景細(xì)節(jié)的手段，叫做法線貼圖（normal mapping），其原理是使用顏色圖像來記錄物體表面的朝向信息，然后將這張圖貼附到原本平整的幾何表面上。在實(shí)時(shí)運(yùn)算過程中，我們使用法線貼圖來模擬這個(gè)表面的坑洼不平的效果，以及因此反射的光照信息，從而以很小的代價(jià)得到逼真的渲染效果。
不過法線貼圖的使用同樣需要一個(gè)采樣的過程，即物體表面的每一個(gè)點(diǎn)都需要對(duì)應(yīng)于法線貼圖上的一個(gè)顏色值。但是在一定的觀察者視角和距離下，因?yàn)榉ň€貼圖存在Mipmap后準(zhǔn)確度損失的問題，會(huì)導(dǎo)致因?yàn)榉ň€而計(jì)算的高光部分出現(xiàn)斷續(xù)和運(yùn)動(dòng)閃爍現(xiàn)象。就如下圖中黃色圈所提示的：原本應(yīng)當(dāng)是一條直線的高光效果，在圖中是由很多斷續(xù)的短線組成，并且這樣的短線會(huì)隨著視角的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，產(chǎn)生非常礙事的觀感。
（via selfshadow.com）
對(duì)于VR內(nèi)容的參與者來說，這當(dāng)然是噩夢(mèng)的開始。試想你戴上頭盔，看到一位輕盈可人的少女向你走來，少女的鬢角發(fā)絲都打上了天然的馬賽克，而她自信的雙眸和光滑的皮膚，在陽光的照耀下閃爍著詭異的線條。再加上尚不能讓人滿意的頭盔分辨率，以及延遲和紗窗效應(yīng)等種種問題，只會(huì)讓玩家迅速產(chǎn)生一種身“不”臨其境的抽離感，無法將自己代入到虛擬的場(chǎng)景當(dāng)中。
這兩種類型的走樣問題，可以統(tǒng)稱為空間性的走樣（spatial aliasing）。
與之相對(duì)應(yīng)的還有時(shí)間性的走樣（temporal aliasing），顧名思義，就是場(chǎng)景隨著時(shí)間變化而發(fā)生運(yùn)動(dòng)的過程中，因?yàn)閳?chǎng)景渲染對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體的采樣率不夠，因此發(fā)生了失真的狀況。這也被稱為車輪效應(yīng)（wagon-wheel effect），例如在電視畫面中看到汽車飛馳，或者直升機(jī)爬升的鏡頭的時(shí)候，我們會(huì)感覺輪子或者螺旋槳是反向轉(zhuǎn)動(dòng)的。
不過放在游戲場(chǎng)景中，問題可能會(huì)更大一些，爆炸，噴射，甚至是VR玩家頭盔的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，都可能帶來時(shí)間性的走樣問題，從而造成場(chǎng)景不自然的跳動(dòng)，這甚至可能是3D游戲暈動(dòng)癥的另外一種潛在的影響因素。能否解決這樣的問題，以及如何高效地解決這些看起來簡(jiǎn)單卻又暗藏殺機(jī)的走樣問題，想必會(huì)給越來越多的VR內(nèi)容開發(fā)團(tuán)隊(duì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。而這樣的挑戰(zhàn)也許是前所未有的：畢竟傳統(tǒng)的PC和主機(jī)游戲中，玩家并不需要非常高的分辨率和屏幕刷新率參數(shù)，只要面對(duì)屏幕時(shí)沒有大的瑕疵就好；而VR游戲顛覆式的體驗(yàn)，眼睛與屏幕的過近距離，則是在另一方面擴(kuò)大了這些傳統(tǒng)問題的影響，使之可能進(jìn)一步成為限制開發(fā)者腳步的桎梏。
（via and.intercon.ru）
最傳統(tǒng)的一種反走樣思想，就是把原本需要渲染的畫面尺寸放大很多倍之后，渲染一張更高分辨率的圖像（這一過程也稱作超采樣，supersample），然后再重新縮小到實(shí)際需要的尺寸輸出。在重新輸出的過程中，每個(gè)最終的像素結(jié)果，在高分辨率的圖上都有多個(gè)對(duì)應(yīng)的像素值可以進(jìn)行加權(quán)平均處理，從而提供了各種提升畫面質(zhì)量和降低畫面鋸齒的可能性（而這個(gè)過程被稱作下采樣，downsample）。這一理想狀況下的方案也被稱作SSAA（super-sampling anti-aliasing）。
當(dāng)然，對(duì)于實(shí)時(shí)渲染的畫面而言，需要被采樣的絕不僅僅是最終的色彩圖像而已，通常還要考慮深度緩存（depth buffer）和模板緩存（stencil buffer）的重采樣，并且對(duì)于畫面上的每一個(gè)采樣點(diǎn)都要執(zhí)行一次像素計(jì)算（即調(diào)用像素著色器，pixel shader），這一切的工作都對(duì)顯示設(shè)備的帶寬和像素填充率產(chǎn)生了不可忽視的壓力，進(jìn)而直接影響到實(shí)時(shí)畫面的渲染效率——而對(duì)于VR內(nèi)容而言，執(zhí)行效率的保證恰恰是重中之重。這樣的矛盾，無疑是所有從業(yè)者的一塊心病。
幸好，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件支持的MSAA（multi-sampling anti-aliasing）并不會(huì)單純到對(duì)每種采樣點(diǎn)都斤斤計(jì)較的程度，它只會(huì)對(duì)輸出畫面的每個(gè)像素執(zhí)行一次像素計(jì)算，并且將結(jié)果輸出到這個(gè)像素在大圖上的每一個(gè)采樣點(diǎn)，混合之后輸出一個(gè)平滑的最終結(jié)果。
（via confettispecialfx.com）
從圖中可以看到，因?yàn)槭纠袼兀ǚ娇蛩荆┱梦挥谝粋€(gè)黃色三角形的邊緣，而它對(duì)應(yīng)的深度采樣點(diǎn)（depth sample）有部分在三角形之外，另一部分在三角形之內(nèi)，因此重新混合輸出的顏色值自然產(chǎn)生了一種模糊的效果，即幾何物體邊緣鋸齒的平滑處理。如果像素點(diǎn)完全處于三角形的內(nèi)部或者外部，那么混合后的顏色值與著色器的輸入值將不會(huì)有任何變化。
而很多游戲設(shè)置界面中常見的MSAA 2x，MSAA 4x等選項(xiàng)，設(shè)置的正是每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)的數(shù)目。顯而易見，采樣點(diǎn)的數(shù)目越多，渲染更大分辨率的中間畫面耗費(fèi)的資源和時(shí)間也就越大，而最終結(jié)果則會(huì)更加理想。
via 《刺客信條》
MSAA如今基本成為了所有主流三維游戲必備圖形品質(zhì)選項(xiàng)之一，毫無疑問，它也會(huì)是大部分VR游戲在考慮提升自身游戲品質(zhì)時(shí)的首選優(yōu)化方案——盡管因此會(huì)讓本來就捉襟見肘的渲染效率問題更加嚴(yán)重，盡管單純的MSAA并不能解決多種其它形式的走樣問題，例如時(shí)間性的走樣，以及因?yàn)橥该髻N圖映射而在三角形內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒。而為了更好地改善這些問題，人們也在不斷努力著，這才有了如今同樣廣為人知的FXAA。
如今的PC顯示硬件性能相比當(dāng)年早已是突飛猛進(jìn)了，但是對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)而言，MSAA看起來還是洪水猛獸一般，稍加濫用就會(huì)讓整個(gè)系統(tǒng)的五臟六腑都被掏空。在這種局面下，足夠簡(jiǎn)單和低成本的反走樣方案當(dāng)然會(huì)更受歡迎，比如基于圖像后處理（post processing）的方法。
圖像后處理并不是什么新鮮的概念，甚至可以用照片的美化過程來做簡(jiǎn)單類比。你使用相機(jī)拍攝了一張照片（實(shí)時(shí)渲染得到一幀圖像），然后打開PhotoShop或者美圖秀秀或者其它奇形怪狀的軟件，調(diào)整對(duì)比度、亮度，去掉紅眼、雀斑，甚至附上LUT之類的高級(jí)貨，這都是圖像后處理的具體流程。而這一過程中顯然也可以做一些和改善畫面鋸齒相關(guān)的事情，比如，查找看起來像是邊緣的地方，然后把它模糊掉，讓它看起來不是那么明顯。
這種方案僅僅是使用了標(biāo)準(zhǔn)分辨率的圖像數(shù)據(jù)，不需要渲染和計(jì)算額外的采樣點(diǎn)，因此也不會(huì)產(chǎn)生過多的顯存消耗和計(jì)算量。無論在PC平臺(tái)，移動(dòng)平臺(tái)，主機(jī)平臺(tái)，還是別的什么低端設(shè)備上，理論上都可以應(yīng)用此類方法。針對(duì)這一目標(biāo)，NVIDIA提出了一種名為FXAA（fast approximate anti-aliasing）的后處理反走樣方法：首先根據(jù)當(dāng)前渲染結(jié)果的深度信息來查找可能的幾何邊緣，然后直接對(duì)這些邊緣像素進(jìn)行平滑處理。這一方法甚至可以直接在NVIDIA的顯卡控制面板中開啟，并且直接作用于所有運(yùn)行于當(dāng)前顯示設(shè)備的任意程序之上。
然而，我們之所以說這類方法只能獲取“可能”的幾何邊緣，是因?yàn)榇藭r(shí)在顯卡中已經(jīng)不存在幾何信息的概念了。真正能夠用數(shù)學(xué)方法去描述的幾何頂點(diǎn)與三角形，經(jīng)過了光柵化過程之后，已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了一張屏幕大小的圖像而已，我們可以從中得到每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色值與深度值，并且從中估算像素點(diǎn)原本是否是在三角形的邊緣位置。與MSAA同樣，如果用戶使用了透明貼圖來表達(dá)邊緣，那么這一策略將很難收到效果；而那些原本可能不需要平滑的區(qū)域，也存在著被“誤傷”的可能性。
并且，類似FXAA這種基于圖像的平滑處理，很多時(shí)候也很難滿足現(xiàn)代游戲玩家刁鉆的口味，很多人的反映是FXAA的畫面結(jié)果“很糊”，灰蒙蒙的好像被沙塵覆蓋。如果再與VR內(nèi)容面臨的另一個(gè)臭名昭著的問題，即紗窗效應(yīng)（screen-door effect），相結(jié)合的話，結(jié)果也許會(huì)更加讓人頭痛吧。至少從目前看來，單純的后處理反走樣手段是難以填飽VR內(nèi)容開發(fā)者們的饑餓肚皮的。
（via en.wikipedia.org）
在MSAA基礎(chǔ)上發(fā)展起來的硬件采樣抗鋸齒方法還有很多，例如解決了顯存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量過大問題的CSAA（coverage sampling anti-aliasing）；或者可以自定義混合方式的CFAA（custom filter anti-aliasing）。而FXAA的同道者和繼承者同樣大有人在，例如預(yù)先學(xué)習(xí)可能的邊緣類型，然后根據(jù)樣式查找邊緣的MLAA（morphological anti-aliasing）；以及先全局做某個(gè)方向的模糊處理，之后從另一個(gè)方向查找邊緣信息的DLAA（directionally localized anti-aliasing，如下圖所示）。可謂是八仙過海，各顯神通。
（via and.intercon.ru）
而有關(guān)法線貼圖產(chǎn)生的走樣問題，也有不少人做出了自己的貢獻(xiàn)。其一就是Toksvig提出的Mipmapping normal maps，他通過一個(gè)額外的系數(shù)計(jì)算，對(duì)法線計(jì)算的鏡面反射結(jié)果進(jìn)行了修正。而這個(gè)修正對(duì)于法線貼圖本身的采樣問題會(huì)產(chǎn)生一定的補(bǔ)償作用，從而降低了閃爍走樣問題出現(xiàn)的幾率（下圖中，右側(cè)為Toksvig方法的實(shí)現(xiàn)效果，實(shí)際運(yùn)行中基本上去除了法線貼圖的走樣問題）。
（via selfshadow.com）
另一種針對(duì)法線貼圖問題的解決方法叫做LEAN Mapping，它的解決方案更為合理和嚴(yán)謹(jǐn)，并且能夠基本保持高光計(jì)算的本來面目，不過其實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜得多，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響更是無法忽略。
值得注意的是，上述這些方法都只是針對(duì)第一種走樣現(xiàn)象，即空間性的走樣而苦心鉆研的解決方案。那么對(duì)于時(shí)間性的走樣，我們是否也有良方呢？幸好，答案是肯定的。
要解決場(chǎng)景物體隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的走樣問題，我們可能需要這樣的一套流程來處理：
1、從場(chǎng)景中找到所有高速運(yùn)動(dòng)的物體，包括因?yàn)橛^察者的高速運(yùn)動(dòng)而在視野中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的物體；
2、計(jì)算這些物體從上一幀到這一幀運(yùn)動(dòng)的距離，也就是它的運(yùn)動(dòng)速度；
3、光柵化之后，對(duì)于結(jié)果圖像的每個(gè)像素點(diǎn)，找到覆蓋這個(gè)點(diǎn)的所有運(yùn)動(dòng)物體；
4、去除那些實(shí)際上被遮擋的物體的影響因素；
5、根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體的參數(shù)，計(jì)算和調(diào)整當(dāng)前像素的實(shí)際顯示結(jié)果。
而NVIDIA為GTX600以及更高配置的顯示卡提供的TXAA反走樣方案，則把上述過程所需的信息定義為：上一幀的圖像緩存，本幀的圖像緩存，以及場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)向量（motion vector）數(shù)據(jù)緩存，并且圖像緩存必須是經(jīng)過了MSAA反走樣處理的，即包含了每個(gè)像素點(diǎn)的多重采樣信息，以便完成準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)和覆蓋程度計(jì)算。
（via gameplorer.de）
毫無疑問，這可能是目前效果最為強(qiáng)大的反走樣方法了，它同時(shí)解決了大部分空間性走樣和時(shí)間型走樣的問題，幾乎可以達(dá)到電影級(jí)別的抗鋸齒水準(zhǔn)，最適合應(yīng)用到VR內(nèi)容當(dāng)中，立竿見影地解決頭盔運(yùn)動(dòng)過程中的不適感和鋸齒感。如果未來已來的話，TXAA，抑或其它的Temporal AA手段，絕對(duì)會(huì)是其中的一份子，盡管對(duì)于玩家而言它只是幕后的英雄。
不過，現(xiàn)實(shí)往往并不像理想那么美好，MSAA的性能損耗已經(jīng)讓VR行業(yè)的從業(yè)者們難以忽視，再加上一個(gè)胃口更大的TXAA，要保證75Hz乃至120Hz的屏幕刷新率就更是難上加難，而移動(dòng)端目前還頗為孱弱的圖形處理能力，想要把如此強(qiáng)勁的算法流程納入自己的麾下，恐怕現(xiàn)階段還有好長的一段路要走。
當(dāng)然這里也存在著一些爭(zhēng)論：時(shí)間性的走樣問題源于場(chǎng)景中高速運(yùn)動(dòng)的物體或者觀察者自身。一個(gè)戴著頭盔卻總是拼命甩頭和雀躍（并且因而產(chǎn)生了temporal aliasing）的玩家，也許并不需要更關(guān)心他所目睹的場(chǎng)景是不是有讓人不適的鋸齒；而高速運(yùn)動(dòng)的車輪，直升機(jī)螺旋槳，或者高級(jí)宇宙飛船的隆隆扇葉，也不一定就要出現(xiàn)在游戲者面前，讓他們感覺眼花繚亂。那么如果可以從內(nèi)容制作上就嘗試去回避這些問題的話，是否就不必像本文一樣太過杞人憂天了呢？也許吧，但是回避終究不是解決困難的手段；何時(shí)亮劍，怎樣亮劍，也許這是所有的從業(yè)者在希望與矛盾中艱難前行的時(shí)候，都需要思考和遲早面對(duì)的一個(gè)問題。
（編者注：當(dāng)然啦，鋸齒其實(shí)只是畫質(zhì)差的一部分因素，還有可能是本來畫質(zhì)就很差，哈哈==）
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