抗鋸齒技術革命:FX/TXAA畫質性能實測
泡泡網顯卡頻道7月30日 近幾年來顯卡技術的發展速度可謂是突飛猛進，不僅僅是性能的提升，更多的新特效也令我們的游戲世界更加精彩更加逼真。目前有些游戲的逼真度已經讓玩家幾乎無法區分出現實和虛擬世界了。
不過經常玩游戲的玩家一定有過這樣的體驗：盡管有些游戲的畫質已經達到了電影級水平，幾乎可以以假亂真，但細看物體邊緣的“毛邊”卻露出了馬腳。那么游戲中的物體邊緣為什么會產生“毛邊”？這些“毛邊”如何能夠消除？最新的相關技術又是怎樣的呢？
姚晨微博上發的風景照片和Crysis3游戲場景對比
本文將揭開抗鋸齒神秘的面紗，將這一推動游戲畫質的技術詳細解讀。
電腦畫面是由一個個小像素所構成的。而電腦的任務就是計算每一個像素的正確顏色，最終渲染出一幅幅畫面，多個畫面快速替換，產生動態影像。
所以渲染的速度就是一幅“實時”圖片的所需要考慮的一個重要因素。如果每個像素點都通過真實計算獲得，那么這個運算量將是非常龐大的，即使最高端的顯卡也無法渲染出流暢的畫面。所以大多數像素的色彩實際上都通過對區域內的某一點采樣得到的顏色所決定的，這樣做可以減輕顯卡的壓力，但當這種情況出現在物體的邊緣的時候就會出現難看的鋸齒。
一個更好的辦法就是將前景色和背景色進行混合從而造出第三種顏色來填充色一像素。這種方法能有效的改進圖像邊緣的表現效果，換一種說法就是實現了“抗”鋸齒的作用。
抗鋸齒（Anti-aliasing）：標準翻譯為“抗圖像折疊失真”。由于在3D圖像中，受分辨的制約，物體邊緣總會或多或少的呈現三角形的鋸齒，而抗鋸齒就是指對圖像邊緣進行柔化處理，使圖像邊緣看起來更平滑，更接近實物的物體。它是提高畫質以使之柔和的一種方法。
全屏抗鋸齒（FullSceneAnti-Aliasing）可以有效的消除多邊形結合處（特別是較小的多邊形間組合中）的錯位現象，降低了圖像的失真度。全景抗鋸齒在進行處理時，須對圖像附近的像素進行采樣，以達到不同級別的抗鋸齒效果。簡單的說也就是將圖像邊緣及其兩側的像素顏色進行混合，然后用新生成的具有混合特性的點來替換原來位置上的點以達到柔化物體外形、消除鋸齒的效果。
● 超級采樣抗鋸齒（SSAA）
超級采樣抗鋸齒（Super-Sampling Anti-aliasing，簡稱SSAA）此是早期抗鋸齒方法，比較消耗資源，但簡單直接，先把圖像映射到緩存并把它放大，再用超級采樣把放大后的圖像像素進行采樣，一般選取2個或4個鄰近像素，把這些采樣混合起來后，生成的最終像素，令每個像素擁有鄰近像素的特征，像素與像素之間的過渡色彩，就變得近似，令圖形的邊緣色彩過渡趨于平滑。再把最終像素還原回原來大小的圖像，并保存到幀緩存也就是顯存中，替代原圖像存儲起來，最后輸出到顯示器，顯示出一幀畫面。
這樣就等于把一幅模糊的大圖，通過細膩化后再縮小成清晰的小圖。如果每幀都進行抗鋸齒處理，游戲或視頻中的所有畫面都帶有抗鋸齒效果。而將圖像映射到緩存并把它放大時，放大的倍數被用于分別抗鋸齒的效果。
超級采樣抗鋸齒中使用的采樣法一般有兩種：順序柵格超級采樣（Ordered Grid Super-Sampling，簡稱OGSS），采樣時選取2個鄰近像素。旋轉柵格超級采樣（Rotated Grid Super-Sampling，簡稱RGSS），采樣時選取4個鄰近像素。
● 多重采樣抗鋸齒（MSAA）
多重采樣抗鋸齒（MultiSampling Anti-Aliasing，簡稱MSAA）是一種特殊的超級采樣抗鋸齒（SSAA）。MSAA首先來自于OpenGL。具體是MSAA只對Z緩存（Z-Buffer）和模板緩存(Stencil Buffer)中的數據進行超級采樣抗鋸齒的處理。可以簡單理解為只對多邊形的邊緣進行抗鋸齒處理。這樣的話，相比SSAA對畫面中所有數據進行處理，MSAA對資源的消耗需求大大減弱，不過在畫質上可能稍有不如SSAA。
● 自適應抗鋸齒（AAA）
MSAA雖然得到了大量使用，但有一個重要缺陷就是不能處理Alpha材質，因此在一些柵欄、樹葉、鐵絲網等細長的物體上就不能起作用了。為了解決這種問題，ATI在X1000系列加入了自適應（Adaptive）抗鋸齒，通過額外的多重采樣甚至是超級采樣來強制提升畫質。自適應抗鋸齒可以專門針對Alpha材質選擇性的進行多級或是超級采樣，這樣就比完全采用SSAA擁有更低的性能損失，畫面質量依舊完美！
● 覆蓋采樣抗鋸齒（CSAA）
覆蓋采樣抗鋸齒（CoverageSampling Anti-Aliasing，簡稱CSAA）是NVIDIA G80系列出現時一并出現的抗鋸齒技術。它的原理是將邊緣多邊形里需要采樣的子像素坐標覆蓋掉，抒原像素坐標強制安置在硬件和驅動程序預告算好的坐標中。這就好比采樣標準統一的MSAA，能夠最高效率地運行邊緣采樣，交通提升非常明顯，同時資源占用也比較低。
● 可編程過濾抗鋸齒（CFAA）
可編程過濾抗鋸齒（Custom Filter Anti-Aliasing）技術起源于AMD的R600家庭。簡單地說CFAA就是擴大取樣面積的MSAA，比方說之前的MSAA是嚴格選取物體邊緣像素進行縮放的，而CFAA則可以通過驅動和諧靈活地選擇對影響鋸齒效果較大的像素進行縮放，以較少的性能犧牲換取平滑效果。顯卡資源占用也比較小。
● 形態抗鋸齒（MLAA）
從G80發布至今，NVIDIA的CSAA技術得到了越來越多游戲開發商的認可，相信很多玩家都注意到了，現在不少游戲都直接在菜單中提供了CSAA選項，N卡用戶不用進入驅動控制面板就能非常方便的調用。而AMD的CFAA雖然從HD2000時代已經沿用到了HD5000時代，但幾乎無人問津。
到了HD6000時代，AMD拋棄了實用價值并不高的CFAA，開發了一種新的抗鋸齒方案——Morphological AA，直譯為形態抗鋸齒。這種抗鋸齒采用了DirectCompute計算技術來進行高效率的后處理器過濾，新的抗鋸齒模式適用范圍比傳統的MSAA更廣，而且精度最高可達24x，效率方面比SSAA（超級采樣抗鋸齒）快很多，與最高精度的CFAA差不多，但畫質要更好。
● MLAA的進化——SMAA
SMAA核心原理來源MLAA。由于SMAA技術來源于MLAA，因此該技術的首要工作仍是利用MLAA技術平滑鋸齒。SMAA技術需要做的—改進邊緣檢測算法。一幀圖像中的邊緣有很多，但并非每一條都需要處理。據研究，若周圍區域里存在一條顏色反差較大的邊緣時，人的視覺系統會忽略對比度相對較低的邊緣，因此可以把低對比度的部分從處理過程中早早剔除，保留圖像的銳度，同時節約了處理時間。
占據高對比度優勢的邊緣將對下方的其余邊緣產生遮蓋作用，通常情況下人的注意力將集中在高對比度的邊緣上。若是使用MLAA技術，在抗鋸齒處理時，不考慮對比度的影響就會帶來位居中間的圖樣，它對不該處理的邊緣也做了處理，導致了一串不平滑的顏色改變。而將對比度納入考量的SMAA技術則會形成，此時顏色過渡就更為平滑。若使用MLAA技術，像素的每條邊都需要訪問所有邊。而使用SMAA技術后大大降低了訪問次數。
強大的“啟發式模糊”，穩定性，對銳度的保留，只有MSAA十分之一的處理速度，SMAA在MLAA開辟的道路上邁出了更堅實的一步。
● 快速近似抗鋸齒FXAA（Fast Approximate Anti-Aliasing）
快速近似抗鋸齒（Fast Approximate Anti-Aliasing）是傳統MSAA（多重采樣抗鋸齒）效果的一種高性能近似值。它是一種單程像素著色器，和MLAA一樣運行于目標游戲渲染管線的后期處理階段，但不像后者那樣使用DirectCompute，而只是單純的后期處理著色器，不依賴于任何GPU計算API。正因為如此，FXAA技術對顯卡沒有特殊要求，完全兼容NVIDIA、AMD的不同顯卡（MLAA僅支持A卡）和DX9、DX10、DX11。FXAA在得到與MSAA相近的畫面品質時，運行幀率卻能高出一倍。
隨著開普勒顯卡GK104系列驅動的推出，FXAA正式加入驅動面板中，玩家可以通過驅動面板選擇打開FXAA，而且FXAA幾乎可以應用于所有3D游戲中。
● 新型抗鋸齒技術：TXAA
TXAA是全新一代硬件渲染的抗鋸齒技術，可以提供電影級別的畫面品質，專為發揮高端NVIDIA顯卡強大的紋理性能而設計。TXAA將會通過HDR后處理管線從硬件層面上提供顏色矯正處理。目前TXAA分為TXAA1、TXAA2兩個級別，TXAA1可以實現8x MSAA的效果，執行效率與2x MSAA相當，而TXAA2則會提供更高的畫面品質。
此次測試的顯卡主要定位高端旗艦，測試時所有游戲中開啟全部特效，包括各種抗鋸齒（AA）和16X各向異性過濾（AF）。
測試的GTX770性能強悍，所以我們測試均使用2560X1600分辨率。
NVIDIA GeForce GTX 770 GPU-Z 截圖
● 測試平臺主板：技嘉G1.Sniper M3
技嘉 G1.Sniper M3是一款采用m-ATX板型設計的高端Z77主板，它結合了屢獲殊榮的G1.Killer設計理念，目標是給玩家提供強大的性能。無論是內建Creative專業級音效處理器、Sound Core3D高質感音效輸出還是支持 cFosSpeed 與網絡加速技術的芯片，都是為了讓玩家能有最棒的娛樂和聯網游戲體驗。
● 測試平臺電源：Antec HCP1200
安鈦克Antec HCP1200電源在世界超頻大賽中非常常見，通過了80PLUS認證，轉換效率高達92.4%，支持4路12V輸出，最高電流72A，支持四卡SLI/交火。平均無故障運行時間為10萬小時。配備一顆8cm靜音風扇，運行噪音極低。
● 測試平臺SSD：OCZ Vetrx3 240GB
OCZ的Vertex系列屬于它的高端固態硬盤，專門為高端玩家和存儲發燒友設計。隨著Sandforce控制器大紅大紫，OCZ也將Vertex系列升級到了全新的SF1200方案。如今SATA3.0 6Gbps接口大行其道，OCZ推出了基于SF2200系列主控芯片的Vertex 3固態硬盤，涵蓋60-480GB容量范圍。
《孤島危機3》支持大量的高端圖形選項以及高分辨率材質。在游戲中，PC玩家將能看到一系列的選項，包括了游戲效果、物品細節、粒子系統、后置處理、著色器、陰影、水體、各向異性過濾、材質分辨率、動態模糊以及自然光。技術主管Marco Corbetta表示之所以《孤島危機2》并不包含這么多的選項，是因為開發主機板的開發組實在是搞的太慢了。
● 實時體積煙云陰影(Real-Time Volumetric Cloud Shadows)
實時體積煙云陰影(Real-Time Volumetric Cloud Shadows)是把容積云，煙霧和粒子陰影效果結合起來的一種技術。和之前的類似技術相比，實時體積煙云陰影技術允許動態生成的煙霧擁有體積并且對光線造成影響，和其他物體的紋理渲染互動變化。
● 像素精度置換貼圖（Pixel Accurate Displacement Mapping）
像素精度置換貼圖（Pixel Accurate Displacement Mapping）可以讓CryEngine 3引擎無需借助DX11的細分曲面技術即可一次渲染出大量沒有明顯棱角的多邊形。此前crytek曾透露過正在考慮在主機上實現類似PC上需要DX11硬件才能實現的細分曲面效果，看來此言非虛，新型的位移貼圖技術來模擬細分曲面的效果。雖然實現原理完全不同，但效果看起來毫不遜色。
極度精細逼真，完全嵌合的植被（Tessellated Vegetation）
● 實時區域光照（Real-Time Area Lights）
實時區域光照（Real-Time Area Lights）從單純的模擬點光源照射及投影進化到區域光照的實現，以及可變半陰影（即投影隨著距離的拉長出現模糊效果），更準確的模擬真實環境的光照特性。
● 布料植被綜合模擬（Integrated Cloth & Vegetation Simulation）
布料植被綜合模擬（Integrated Cloth & Vegetation Simulation）其實在孤島危機1代中植被已經有了非常不錯的物理效果，會因為人物經過而擺動，但是這次crytek更加強化了這方面的效果，還有就是加入了對布料材質的物理模擬，這方面之前只有nvidia的physx做得比較好。
● 動態體積水反射（Dynamic Water Volume Caustics）
動態體積水反射（Dynamic Water Volume Caustics）孤島危機1和2基本上在水的表現上集中在海水，很少有湖泊和類似大面積積水潭的場景，而這次crytek實現了超遠視野的水面動態反射。動態體積水反射可以說是孤島危機2中的本地實時反射的一個延伸，是結合靜態環境采樣和動態效果的新的水面反射技術。
絕密細分的蟾蜍驚艷絕倫，完全可以以假亂真！
● 游戲設置
● 截圖樣本
● 抗鋸齒對比
● 性能匯總
作為新一代DX11游戲的畫質標桿，孤島危機3相比上一代對顯卡提出了更高的要求，而在這款代表著最尖端畫質的游戲支持了目前最主流和先進的抗鋸齒技術。通過測試我們發現FXAA對系統資源的消耗微乎其微，電腦優化效果不俗！可以說是最具“性價比”抗鋸齒技術。
而MSAA即使開到8X，抗鋸齒效果也不明顯。事實上傳統的MSAA天生注定只能用在真實的幾何上，對有些物體則完全不起作用，比如說只有紋理的植物的葉子、籬笆等等。
由EA DICE工作室開發的《戰地3》采用了最新的“寒霜2”引擎，完美支持DirectX 11，并且擁有強大的物理效果，最大的亮點還是光照系統，其渲染的場景已近乎亂真的地步，視覺效果堪稱絕贊。游戲還支持即時晝夜系統，為玩家營造一個親臨現場的真實環境。
寒霜2引擎最大的特點便是支持大規模的破壞效果。由于考慮到游戲的畫面表現以及開發成本，DICE放棄了以只支持DX9的WINDOWS XP操作系統。另外由于該引擎基于DX11研發，向下兼容DX10，因而游戲只能運行于WINDOWS VISTA以上的的操作系統。
在《戰地3》中，“寒霜引擎2”內置的破壞系統已經被提升至3.0版本，對于本作中的一些高層建筑來說，新版的破壞系統將發揮出電影《2012》那般的災難效果，突如其來的建筑倒塌將震撼每一位玩家的眼球。
《戰地3》采用了ANT引擎制作人物的動作效果。在此之前，ANT引擎已在EA Sports旗下的《FIFA》等游戲中得到應用，不過在FPS游戲中使用尚屬首次。相較于Havok等物理引擎，用ANT引擎可以花費較少的精力制作出逼真的效果。舉例來說，戰士在下蹲時會先低頭俯身、放低槍口，而不是像以前的游戲那樣頭、身、槍如木偶般同時發生位移。此外，ANT引擎也可以讓電腦AI的行動更加合理。但這款大作目前并不能良好的兼容120Hz3D以及紅藍3D模式。
● 游戲設置
● 截圖樣本
● 抗鋸齒對比
● 性能匯總
寒霜2引擎大作戰地三，是為數不多的畫面可以挑戰Crysis的游戲大作，而對核心和顯存的要求已經超越了Crysis！越是要求變態的游戲，旗艦級顯卡就越喜歡，這款游戲采用的也是FXAA技術，可以看到GTX770在這款游戲中的抗鋸齒效率非常不錯。就連AMD向部分媒體提供的《戰地3》評測指南中也推薦玩家在游戲抗鋸齒選項上使用NVIDIA的快速近似抗鋸齒FXAA，而不是通用的多重采樣抗鋸齒MSAA。二者的重大區別是，FXAA對性能影響很小，MSAA則會基本上將幀率砍掉一半。
這些年我們看到了不少形態各異的勞拉，從豐乳肥臀的動作游戲主角到喜歡探索亞特蘭蒂斯文明的睿智貴族。不過我們從未見過這樣的勞拉。Crystal Dynamics的《古墓麗影9》讓我們看到了一個參加初次探險的年輕勞拉，她遭遇海難被困在刀槍林立的小島上，必須將自己的智謀和求生欲望提升到極限。
劇情介紹：故事從年少時期的勞拉開始，勞拉所乘坐的“堅忍號”仿佛是被宿命所呼喚，在日本海的魔鬼海遭遇到了臺風，不幸擱淺。勞拉也被迫到島上開始自己的求生經歷。
古墓麗影9的游戲畫面較之前代上升了不少，游戲要求也提高了不少。
● 游戲設置
● 截圖樣本
● 抗鋸齒對比
● 性能匯總
古墓麗影9高分辨率的Benchmark測試中，GTX770開啟MSAA性能下降非常嚴重，尤其是最高等級的抗鋸齒選項會讓幀速率下降到不開抗鋸齒時的50%以下，性能損失非常夸張，MSAA占用資源過高的問題再次凸顯！
通過上面三款最新游戲的測試我們發現，MSAA已經越來越乏善可陳了，不僅在有些物體渲染上存在先天缺陷，效率也是低的可怕，我們以往的游戲測試最高只能開4XMSAA，而不敢開啟8XMSAA就是這個原因。而最新的FXAA和TXAA則表現搶眼。
TXAA憑借突出的畫質表現在開普勒顯卡上大展身手，TXAA抗鋸齒技術提供更平滑更逼真的畫面，帶給玩家極致的游戲體驗和超乎想象的視覺享受。
要開啟TXAA需要安裝304.79版本以上的驅動，以及更新游戲補丁后默認開啟。筆者通過視頻測試，對比MSAA和TXAA之間的區別。雖然視頻已開啟8xMSAA，但畫面中建筑物頂端的邊緣依然有很明顯的鋸齒，效果一般。當開啟TXAA特效后，畫面鋸齒降低，畫質變得很平滑。
而FXAA的優勢更加明顯，首先FXAA對于畫質的改善相當明顯，單獨開啟FXAA就能得到2xMSAA以上接近于4xMSAA的畫質；其次對于顯卡性能的消耗較低，接近于2xMSAA的水平，使玩家可以在較少性能損失的情況下，換來更佳的體驗；此外FXAA還可以和其他AA技術疊加使用，使畫質提升至更高的層次。
● 快速近似抗鋸齒（FXAA）畫質表現
上面是NVIDIA提供的官方Demo中所測試出的畫質差異，左邊為未開啟任何AA的狀態，可以看到在欄桿周圍的相當明顯。中間和右邊為分別開啟4xMSAA和第3級FXAA的狀態可以看到柵欄邊緣明顯變得平滑許多，并且兩者之間的畫質差距并不明顯。
● 快速近似抗鋸齒（FXAA）的算法過程
1. FXAA將其視作為輸入的非線性RGB彩色數據，針對著色器邏輯單元而將這些數據內部轉化成為了標量的亮度估計值。
2. 檢查局部對比度，以避免處理到非邊緣部分。檢測到的邊緣處于紅色，夾雜的偏黃色部分代表檢測到的子像素鋸齒有多少。
3. 通過局部對比度測試的像素于是被歸類為水平 (以金色表示) 或垂直(以藍色表示) 。
4. 假定選擇了邊緣的朝向以及與邊緣呈90度角且對比度最高的像素對，以藍色/綠色表示。
5. 該算法沿著邊緣的方向搜索正負 (紅色/藍色) 邊緣端，沿著邊緣檢查高對比度像素對的平均亮度有無重大變化。
6. 假定邊緣的端、邊緣上的像素位置已轉化成為與邊緣呈90度垂直的子像素位移以減少鋸齒，紅色/藍色表示-/+水平位移，而金色/天藍色表示-/+垂直位移。
7. 考慮到這種子像素偏移，輸入的紋理被重新采樣。
8. 最后，根據檢測到的子像素鋸齒有多少，低通濾波器被合成進來。
目前游戲原生支持FXAA的游戲較少，那么要如何在其他游戲中開啟FXAA呢？通過小編的探索目前開啟FXAA的方法有兩個：安裝破解補丁或者修改系統注冊表。
● 方法一：安裝破解補丁
一位名叫Gast的玩家在德國的3DCenter論壇發布了大小僅為57KB的補丁（點擊下載），補丁里面包含兩個文件夾D3D9和D3D10，顧名思義就是分別對應DX9和DX10游戲，而部分DX11游戲也可以使用這個補丁，這個方法在一些游戲論壇中已經得到了證實。
補丁在使用時能簡單，將相應文件夾下的文件復制一份到游戲exe程序所在目錄即可，如果能成功開啟后自動生成一個名為“log.log”的文件，通過Pause Break快捷鍵可以在游戲中可以實時開啟或關閉。
● 方法二：修改系統注冊表
在Windows 7的“運行”中輸入regedit.exe，打開注冊表。打開HKEY_LOCAL_MACHINE\\SOFTWARE\\NVIDIA Corporation\\Global\\NVTweak選項，新建一個名為“EnableSRS1442”的項目，數值類型為DWORD，設置數值為1。
打開NVIDIA的驅動程序界面，點擊“管理3D設置”選項，就可以看到多了一個“Antialiasing-FXAA”的選項，在其后的下拉菜單選擇“開”即可打開FXAA特效。
全文總結：
通過三款游戲的測試，我們發現FXAA效率方面優勢明顯，但是這并不意味著抵達終點。按照學術與工業界的慣例，技術的好壞仍然要等待后續研究與開發應用的進一步反饋和評價。雖然FXAA迅速得到了來自Crytek等引擎的支持，但是目前就斷言它是抗鋸齒的終極技術為時尚早。我們仍需謹記一位圖形專家的評論：“實時渲染的問題遠沒有到完滿解決的地步,將來會更美好。”■<
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