Что такое сглаживание в играх и какое лучше выбрать

Зачем нужно сглаживание

Картинка на современных ЖК-мониторах строится при помощи пикселей. Это очень маленькие квадратики, которые могут гореть красным, зеленым и синим цветом. Например, у мониторов с разрешением Full HD число пикселей составляет 2 073 600 штук, а у дисплеев 4К их 8 294 400 штук.

Когда на современном дисплее нужно отобразить прямую линию, то у ЖК-монитора никаких проблем не возникает. Но когда нужно нарисовать диагональную или кривую линию, то на их границах появляются лесенки. Еще их называют ступеньками. Более правильное название – алиасинг от английского слова «aliasing».

Чтобы устранить проблему лесенок, можно поступить тремя способами:

• избавиться от ЖК-дисплеев и начать пользоваться другими мониторами;
• повысить число пикселей дисплеев, чтобы лесенок не было видно;
• создать технологию по устранению лесенок.

Избавиться от ЖК-дисплеев и начать пользоваться другими мониторами нельзя. У жидкокристаллической технологии очень много преимуществ, и она позволяет создавать очень качественное изображение. Раньше люди пользовались ЭЛТ-мониторами, которые не имели алиасинга. Однако качество их картинки сильно уступало ЖК-дисплеям.

Повысить число пикселей мониторов, чтобы пропали лесенки, очень сложно. Нужно разработать и начать выпускать дисплеи с разрешением более 8К. С технической точки зрения это невероятно сложно и очень дорого. Стоимость таких мониторов будет неподъемная для многих компьютерных пользователей.

Остается последний способ – разработать технологию по устранению лесенок. Инженеры так и поступили. Они создали алгоритм, который убирает эффект зубчатости на ЖК-дисплеях, и назвали его «сглаживанием». По-английски эта технология называются «anti-aliasing» и для простоты ее записывают в виде аббревиатуры «AA». Если вы увидите на конце какого-то алгоритма буквы «AA», то они расшифровываются, как «anti-aliasing».

Сглаживание нужно для устранения эффекта зубчатости на границах кривых линий. Без этой технологии получить качественное изображение на ЖК-дисплее невозможно.

MSAA – Multi Sampling Anti-Aliasing

Сглаживание MSAA – это самая популярная технология антиалиасинга прошлого. Мультисэмплинг является модификацией SSAA – самого первого алгоритма сглаживания в играх.

Метод SSAA работает очень просто: он всего на всего повышает разрешение картинки, а затем уменьшает его до разрешения вашего монитора. Например, если у вас дисплей с разрешением 1920x1080, то при включении SSAA 4x разрешение игры повышается до 3840x2160, а затем уменьшается до размеров монитора.

Этот метод избавляет от геометрического алиасинга и делает картинку очень четкой, но он требует много производительности. При включении SSAA 4x нагрузка на ГПУ видеокарты повышается в 2-3 раза. Также повышается нагрузка на видеопамять. Игровых разработчиков это не устраивало, и инженеры модифицировали SSAA, создав MSAA.

Сглаживание MSAA тоже повышает разрешение, но алгоритм делает это только для границ объектов, а не для всей картинки целиком. Если SSAA 4x повышает нагрузку на видеокарту в 2-3 раза, то MSAA 4x – всего на 30-50%. Это хороший результат, но и он не устраивал игровых разработчиков. Им нужно было сглаживание, которое бы совсем не влияло на производительность. Это и стало причиной появления технологии FXAA.

FXAA – Fast approXimate Anti-Aliasing

Сглаживание FXAA разработала компания NVIDIA в конце нулевых годов. Алгоритм основывался на постобработке готового изображения. Он анализировал отрендеренную картинку, находил края объектов и размазывал их.

Главное преимущество FXAA – низкое влияние на производительность. Даже на старых видеокартах это сглаживание почти не снижало кадровую частоту. Главный недостаток FXAA – ухудшение качества картинки. Изображение сильно «мылилось» и теряло четкость, что геймерам ужасно не нравилось. Поэтому графические инженеры продолжили создавать новые методы сглаживания.

SMAA – Subpixel Morphological Anti-Aliasing

SMAA – это еще одно сглаживание, которое работает на этапе постобработки. Оно является модификацией MLAA – алгоритма от компании Intel.

Сглаживание MLAA очень похоже на FXAA по принципу работы. Оба сглаживания анализируют картинку на основе цветовых переходов. Главное отличие заключается в методе вычисления: MLAA обрабатывается центральным процессором, а FXAA – видеокартой. Недостатки у обоих типов сглаживания тоже похожи: алгоритмы сильно «мылят» картинку и ухудшают ее качество. Чтобы решить эту проблему, инженеры модифицировали MLAA и создали SMAA.

Сглаживание SMAA намного лучше распознает границы объектов и почти не замыливает изображение. Также оно не оказывает значительного влияния на производительность. Включение SMAA может лишь на пару процентов снижать частоту кадров в играх.

Если бы не выход сглаживания TAA, скорее всего, технология SMAA стала бы стандартом в современной компьютерной графике.

TAA – Temporal Anti-Aliasing

TAA – это самое популярное сглаживание на сегодняшний день. Оно используется по умолчанию во всех современных играх. Если в графических настройках нет возможности поменять метод сглаживания, значит, в игре работает только TAA.

Это сглаживание стало популярным по следующим причинам:

• устранение всех видов алиасинга;
• низкое влияние на производительность;
• возможность легко добавлять алгоритм в игру.

TAA – это единственный метод сглаживания, который успешно борется со всеми видами алиасинга. Алгоритм создает очень стабильную картинку без мерцаний и любых других графических артефактов.

TAA берет информацию из предыдущих кадров и на их основе сглаживает картинку. Это позволяет сильно снизить влияние на производительность видеокарты. Включение TAA снижает кадровую частоту в играх всего на 5-7%.

TAA работает на этапе постпроцессинга, то есть как фильтр постобработки. Это позволяет очень легко добавлять сглаживание в игру без сложной корректировки кода.

Эти преимущества сделали TAA сглаживание самым популярным алгоритмом антиалиасинга, однако и у него нашлись недостатки:

• гостинг;
• «замыливание» картинки.

Гостингом называют шлейфы, которые образуются за движущимися объектами. Например, если в игре падает листва, то можно заметить, как за листьями тянутся шлейфы. Полностью избавиться от этого артефакта нельзя, но в современных версиях TAA он слабо заметен, и его можно увидеть, только если сильно вглядываться в картинку. Также снизить этот эффект можно, выставив высокую частоту кадров. Чем больше FPS, тем слабее проявляется гостинг.

Замыливание или потеря четкости возникает во время движения игровой камеры. Улучшить четкость картинки можно тремя способами:

• повысить разрешение игры;
• воспользоваться фильтром резкости;
• выставить TAA на режим «низкое» или «среднее».

Чтобы повысить разрешение игры, не обязательно покупать новый монитор. Можно воспользоваться функцией «масштаб разрешения». Этот параметр также называется «разрешение рендера», «суперсэмплинг», «коэффициент шейдинга» и так далее. Он есть почти в любой современной игре. Просто повысьте значение со 100% до 130% или 150%. Картинка станет четче, но и нагрузка на видеокарту значительно увеличится, так как игра будет рендериться в более высоком разрешении.

Фильтр резкости можно включить через программу GeForce Experience или AMD Software: Adrenalin Edition. Обычно эти приложения устанавливают, чтобы обновлять драйверы видеокарт, но в них есть много полезных функций, в том числе и наложение фильтра резкости. Этот эффект будет выделять контуры объектов, что повысит четкость картинки.

В некоторых играх можно регулировать качество работы TAA сглаживания. Чтобы уменьшить замыливание, не выставляйте TAA на значение «высокое» или «ультра». Уменьшите значение до «низкое» или «среднее». Сглаживание будет работать менее агрессивно, что улучшит четкость картинки и немного снизит нагрузку на видеокарту.

DLSS – Deep Learning Super Sampling

В 2018 году компания NVIDIA представляет DLSS – самое революционное сглаживание для видеоигр. Революция заключается в том, что все методы сглаживания ухудшают производительность в играх, а DLSS, наоборот, повышает ее. Это происходит за счет технологии апскейла: DLSS не только сглаживает изображение, но и реконструирует его из более низкого разрешения.

Например, если включить DLSS в режиме «качество» на мониторе с разрешением 1920x1080, то картинка будет рендериться в 1280x720, а затем дорисовываться до разрешения монитора с помощью нейросети. Это позволяет значительно повысить частоту кадров в игре с небольшой потерей качества изображения.

Особенность DLSS сглаживания состоит в том, что чем выше разрешение монитора, тем лучше качество реконструкции. То есть на дисплеях с разрешением Full HD картинка немного ухудшается. На дисплеях с разрешением 2К изображение почти не меняется, а на мониторах 4К четкость и детализация картинки, наоборот, улучшается.

Сглаживание DLSS работает только на видеокартах NVIDIA RTX, так как в конструкции их ГПУ находятся тензорные ядра. Именно они отвечают за работу нейросети. Графические ускорители Intel и AMD не поддерживают технологию DLSS.

В 2021 году выходит сглаживание DLAA, в основе которого также лежит машинное обучение. В реальности это тот же алгоритм, что и DLSS, только без технологии апскейла. То есть при включении DLAA картинка не реконструируется из более низкого разрешения, а нейросеть занимается только устранением артефактов и сглаживанием изображения. Это делает DLAA лучшим антиалиасингом на сегодняшний день. Даже TAA сглаживание проигрывает DLAA в качестве и стабильности готового изображения.