全屏反鋸齒 - 多重採樣Ⅰ

圖形繪製的時候總能看見那些不美觀的鋸齒。尤其是邊緣鋸齒給用戶帶來的突兀感，給了計算機圖形學幾乎一個屬於“領域”的研究——反鋸齒。視覺上的美觀優化，以及改進後的運行效率，兩手都要硬。——ZwqXin.com

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鋸齒是由於屏幕分辨率低所造成的贗項，想必大家也知道這指什麼。CSDN裏一位高人仁兄問道，在顯卡設置裏面有所謂的“反鋸齒”選項，可以設置覆蓋採樣的參數，那麼在OpenGL裏是否也有相應的API能夠做相應的設置呢？我剛開始是認爲所謂顯卡里的抗鋸齒是shader裏對屏幕做全屏PCF（百分比漸進過濾），而OPENGL的API裏面也沒見過有什麼可以接收類似覆蓋採樣這樣的參數的，頂多是glHint那類函數可以通過混合等緩解點線的鋸齒現象罷了。可接下來有人回帖說了NEHE46課，我馬上“覺醒”，對喔，NEHE裏[蒐集的優良OpenGL教程] 確實有課叫什麼“全屏反鋸齒”的，馬上在電腦裏找出來看——還真的有呢！

所謂採樣參數，也可以說是“平滑處理級別”，一般就有1X，2X，4X，8X，16X這幾個值。在[圖像處理裏的空間域濾波] 一文中，談到了圖像的平滑處理（模糊），其本質就是通過把一個像素作鄰域處理（領域加合平均）得出新像素值而已，領域大小被稱爲模板參數，一般是個奇數，這樣才能把待處理像素包圍在中間。而這裏的採樣參數，乍一看就是2的N次方這樣的數，但竊認爲其實都是那麼回事，只不過更適合於描述而已。

通常認爲在實時圖形學中，這種像素級別的操作應該交給強大的Shder。在shader裏被稱爲dithered samples的，就是PCF係數。因爲它的可編程性能，對顯卡的要求就更可具彈性了，實際上任何X都可以，不限制於2的N次方。

爲了說得清晰點，以橙書裏關於對Shadow map做PCF那章的代碼段爲例（ZwqXin也弄過[Shadow Map陰影貼圖技術之探Ⅲ] ）：

//Listing 13.7. Fragment shader for generating shadows, using four dithered samples
 
uniform sampler2DShadow ShadowMap;
uniform float Epsilon;
uniform bool  SelfShadowed;
uniform float SelfShadowedVal;
uniform float NonSelfShadowedVal;
 
varying vec3 ShadowCoord;
 
float Illumination;
 
float lookup(float x, float y)
{
    float depth = shadow2D(ShadowMap,
                       ShadowCoord + vec2(x, y) * Epsilon).x;
    return depth != 1.0 ? Illumination : 1.0;
}
 
void main()
{
    // lighten up the self-shadows
    Illumination = SelfShadowed ? SelfShadowedVal : NonSelfShadowedVal;
 
    // use modulo to vary the sample pattern
    vec2 o = mod(floor(gl_FragCoord.xy), 2.0);
 
    float sum = 0.0;
 
    sum += lookup(vec2(-1.5, 1.5) + o);
    sum += lookup(vec2( 0.5, 1.5) + o);
    sum += lookup(vec2(-1.5, -0.5) + o);
    sum += lookup(vec2( 0.5, -0.5) + o);
 
    gl_FragColor = vec4(sum * 0.25 * gl_Color.rgb, gl_Color.a);
}

這裏你可以認爲是爲了消緩shadow map形成的鋸齒而做的“全屏反鋸齒”，或者說“全屏模糊化”“全屏平滑化”（針對陰影帖圖覆蓋之場景）。參數是4X。看最下面幾行，它做了一些檢索紋理（陰影圖）的動作。sum是個顏色計數器，它把當前處理像素所在紋素的周邊四個紋素的值相加，並在輸出時除以4以歸一化回[0，1]區間——這是典型的模板濾波操作。當然還有一點小動作（取非整值並根據紋理索引的奇偶再偏移0個或1個紋素），不多提，但總體思路就是這樣——這就是PCF的雛形。一張紋理的顏色過渡只有在邊緣處鉅變，而人眼對邊緣的部分總是比較敏感，邊緣處產生的模糊正能消除這種突兀感。

好吧，如果這算4X，那麼5X，6X如此下去都可以。但是4X和5X你能想到兩者有啥區別麼？無非後者多攪和了一個紋素而已，如果這個被攪和的紋素不用中心紋素，你還得決定是在哪個方向多加一個呢！6X就更不用說了.......所以說，下一個“級別”應該是關於中心紋素得包圍圈向外延伸一個紋素，每方向上加多一個，也就是8X了.......如此類推，你能發現比較勻稱和諧的“採樣參數”都是2的N次方。

另一方面，總不能無限地32X，64X下去吧，要知道，每多一個“級別”，對每個像素就得做多一倍的加法，運算效率下來了，這還不算，更主要的是，整張紋理都被錯位疊加N次了，紋理被覆物最後真被模糊得血肉模糊，不成人形（喂，本來就不成嘛）了——因爲平滑模糊，就相當於去處細節！

概念講到這裏，回到開頭那裏。顯卡里的PCF？我看了看自己的顯卡的控制面板（NV9），裏面解釋到：

平滑處理可設置爲有利於提高系統性能或改進圖象質量。

如果要顯示三維動畫效果和強調場景的流暢變換，最好使用性能設置。
如果要以顯示非常精細和逼真的三維物體爲主要目的時，最好使用質量設置。
在“管理 3D 設置”頁面上（高級視圖），您可以設置具體的平滑處理級別。

值越高，對應的平滑處理的級別就越高。例如，16x 的質量要高於 2x。

在 GeForce 8 系列 GPU 中，NVIDIA 推出了一種新形式的平滑處理，稱爲“覆蓋採樣”，該功能對 8x、16x 和 16xQ 平滑處理設置產生影響。如需更多信息，請參照 NVIDIA.com 網站上關於 Lumenex 引擎技術的簡介。
如果您不能肯定如何配置平滑處理，請使用“應用程序控制的”選項。您的顯示將根據應用程序的規定自行調整。

有粗略的設置方法（質量-效率權衡）：

也有可能做個精確一點的設置：

的確是可以設置的。那麼，既然顯卡提供了這樣的功能，那麼有對應的集成API也很正常吧。但是，看完NEHE46課後，我知道OPenGL裏能實現這種設置的方法是使用一個叫"multi sample"的擴展。而且也不能一步到位，需要設置不少東西。我不能肯定它與PCF有沒有什麼特別的聯繫，於是我想自己按照NEHE 46來實現一下。

請留意下篇文章：全屏反鋸齒 - 多重採樣Ⅱ

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