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第22期 总第722期
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锯齿去无踪 画面更出众
——显卡反锯齿技术浅析
作者:练大脖子

3D图形技术的飞速进步给我们带来了一次次的震撼,电影级的画面早已经不是遥远的梦想,然而画面上那些龇牙咧嘴的锯齿却每每令我们如鲠在喉,不吐不快。“消灭锯齿,还我们一个清爽画面”——用户日益高涨的呼声催生了各种各样的反锯齿技术,并推动其日趋成熟和完善。

毛边、锯齿一直是游戏玩家的心病,图中为没有采用反锯齿技术的图形,可见边缘有明显的锯齿

经过GeForce 8800 16× AA处理后的图形(梅花五点采样),锯齿几乎已经看不到了

Temporal Anti-Aliasing采样原理图

什么是反锯齿技术

一般认为GeForce2 GTS是最早将全屏反锯齿(Full Scene Anti-aliasing,简称FSAA)技术投入实际应用的产品,实际上反锯齿技术的出现一直可以追溯到3D游戏显卡的鼻祖——3dfx VooDoo,它所支持的特性之一就是Anti-aliasing。但是直到GeForce2出现,从速度之争的狂热中清醒过来的用户开始转而追求更高画质时,反锯齿技术才开始引起大家的注意,并在以后的产品中陆续发扬光大。

如果想了解反锯齿技术的原理,首先要了解“采样”(也叫取样)。目前采样技术分为超级采样技术(Supersampling)和多重采样技术(Multisampling)两大派系,前者可以说是所有反锯齿技术的基础,原理很简单:它将画面中的每个像素都拆分成若干个子像素点,然后对它们进行单独处理后建立一个更高分辨率的画面,然后依照适当的模板样式进行过滤,再将较高分辨率的画面缩放回原来屏幕的分辨率。超级采样需要消耗大量的系统资源,所以在使用超级采样的反锯齿功能时系统性能下降非常明显;而后者则由超级采样技术发展而来,它对多边形内部的像素不予处理而只处理多边形的边缘部分,很显然它大大降低了资源消耗,同时反锯齿的效果也有所保证,因此是今后的重点发展方向。

先行者NVIDIA

NVIDIA的反锯齿技术从GeForce2 GTS开始起步,直到GeForce3 Ti才算是成熟起来,GeForce4上采用的Accuview Antialiasing技术又在一定程度上解决了打开FSAA后游戏性能大幅下降的难题。从NV3X开始,NVIDIA又提出了IntelliSample技术,这算得上是反锯齿技术的一揽子解决方案,它集多种采样技术、Gamma取样调整、各向异性过滤、Z缓冲及颜色压缩等技术于一身,目前已经发展到了Intellisample 4.0。此外,它还引进了“透明自适应超级采样模式”(TSAA)和“透明自适应多级采样模式”(TMAA),采用了这两种采样模式后,最直观的改变就是画面中的一些细节部分得到了大大加强。以往的3D显示核心对于这样的透明材质中的非透明部分是无法进行AA运算的,因此表现力欠佳,而TSAA和TMAA的运用彻底解决了这一难题。

Intellisample的另一项核心技术在于色彩压缩引擎。在渲染管线的数据进入显存之前,色彩压缩引擎将对数据进行无损压缩处理,最大可实现4:1的压缩比率,从而提升了显存的有效带宽。这项技术虽然不能直接消除锯齿,但有助于降低反锯齿功能对显卡资源的压榨,也代表了反锯齿技术的一个发展方向——降低资源消耗,强调游戏性能。

后来居上的ATI

ATI的反锯齿技术与NVIDIA相比起步略晚,但在效果方面则一直领先,从Radeon 8500开始ATI将自己的反锯齿技术命名为SmoothVision(动态视觉平滑技术),并从R420开始改称为SmoothVision HD。其中的Temporal Anti-Aliasing(随机采样抗锯齿)是ATI的一项创新,它利用了人眼的视觉残留特征,通过奇偶帧随机采样并合成的方法来达到反锯齿的效果,这样产生的影像就如同实际采样的两倍,采用2x Temporal AA抗锯齿效果就相当于4×FSAA了。不过,使用Temporal AA会有一定的限制,首先,其必须捕捉到两个连续的相近的场景才能模拟这种效果;其次,使用Temporal AA时会自动打开垂直同步,这样在进行FPS游戏的时候就会遇上令人困扰的最高帧数限制问题;最后,在随机采样时会有部分像素因采样点的位置比较特殊而产生不准确的结果,导致最终的效果产生比较大的偏差。

SmoothVision HD中还包含有另外两项技术:非等方滤镜和3Dc三维压缩技术,前者用于解决材质分辨率问题,作用与NVIDIA的各向异性过滤相似;而后者则着重解决多边形数量问题。由于反锯齿和非等方滤镜功能均需要对每一像素进行多点采样,对显示卡的显存带宽是极大的考验,3Dc压缩技术的引入大大缓解了显存带宽紧张的局面,作用与前述的Intellisample色彩压缩引擎相同。从本质上来说ATI的技术与NVIDIA区别不大,无非也是由超级采样技术和多重采样技术发展而来,但由于驱动设置、软件优化等因素的作用,两大派系显卡的反锯齿性能在游戏中的表现各有千秋。

总的来说,当游戏分辨率越来越高时,图像锯齿的情况也相应会得到改善。但随着分辨率的上升,资源的消耗越来越大,此时下调分辨率并恰当地设置反锯齿的水平,可以在保证游戏性能的同时获得较好的画面效果。此外,经过反锯齿技术修正的图像也可以更好地模拟出物体表面旧化的效果,更显真实。正因为这些原因,NVIDIA和ATI一直在积极地致力于反锯齿技术的开发和改进,我们眼前的这个虚拟世界,正变得越来细腻、越来越清晰。

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