Antialiasing：一篇關於抗鋸齒的綜述

一、什麼是抗鋸齒

抗鋸齒是一種圖形處理技術，用於減少圖像、字體或者線條邊緣處的鋸齒狀物。Antialiasing並不是一種演算法，它是描述一系列演算法的術語，包括多種採樣、插值技術，對位移值的估計和邊緣檢測技術等。在圖形學、計算機遊戲、電影製作等領域得到廣泛應用，使得圖像看上去更加平滑自然。

二、為什麼需要抗鋸齒

當我們把鋸齒狀物看成量子化的周期波時，我們知道較高的頻率成分表示高頻細節部分，包括邊緣和刻線部分，並且與明暗或色彩變化相關聯。所以，當鋸齒狀物顯示在計算機屏幕上時，由於其包含的高頻部分，會對邊緣形狀的結構和表示造成干擾，使得保真度下降，視覺質量下降。因此，為了獲得更好的平滑效果，通過抗鋸齒技術，可以去除差異並呈現真正的曲線，使得輸出結果更具真實感。

三、抗鋸齒演算法的種類

1. 多重採樣抗鋸齒（MSAA）

MSAA演算法基於取多次採樣數值的原理。在三角形邊緣或圖像中，每個樣本點的RGB值被平均。它是一種常用的技術，能夠在不降低渲染速度的情況下消除邊緣鋸齒，可以達到平滑的視覺效果。不過，它無法解決彩色物體的顏色邊緣鋸齒問題。

void render(){
  glEnable(GL_MULTISAMPLE_ARB);
  glBegin(GL_TRIANGLES);
  glVertex3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);
  glVertex3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);
  glVertex3f(-1.0f, 0.0f, 0.0f);
  glEnd();
  glDisable(GL_MULTISAMPLE_ARB);
}

2. 對位移值的估計技術（FXAA）

FXAA是Fast Approximate Anti-Aliasing的縮寫，它是一種在屏幕空間內的反鋸齒技術，它不基於光柵化。它的技術原理是通過對每個像素執行過濾，然後分析輸出，從而獲得位置和顏色信息，最後通過對鋸齒進行過濾來達到平滑和旋轉的效果。FXAA技術效果好，可以更快地處理，但是對於複雜多邊形會出現偽影現象。

void render(){
  glEnable(GL_MULTISAMPLE_ARB);
  GLuint resolveFBO;
  glGenFramebuffers(1, &resolveFBO);
  glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, resolveFBO);
  glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D_MULTISAMPLE, colorTexMS, 0);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
  glBegin(GL_TRIANGLES);
  glVertex3f(0.0f, 1.0f, 0.0f);
  glVertex3f(1.0f, 0.0f, 0.0f);
  glVertex3f(-1.0f, 0.0f, 0.0f);
  glEnd();
  glDisable(GL_MULTISAMPLE_ARB);
}

3. 直線抗鋸齒（SRAA）

SRAA在效果和性能之間平衡，可以更好地控制據有不同像素層質量的線條的複雜度。由於它的演算法基於局部和全局分析，每個像素都採用多個採樣值來提高保真度和圖像質量。很適合用於處理筆畫和線條。

void resolve(GLuint textureMS, GLuint textureSRAA){
  GLuint resolveFBO;
  glGenFramebuffers(1, &resolveFBO);
  glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, resolveFBO);
  glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, textureSRAA, 0);
  glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT1, GL_TEXTURE_2D_MULTISAMPLE, textureMS, 0);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
  glBegin(GL_LINES);
  glVertex3f(-0.5f, -0.5f, 0.0f);
  glVertex3f(0.5f, 0.5f, 0.0f);
  glEnd();
}

四、結論

抗鋸齒已經成為現代圖形學中不可或缺的一部分。在今天的計算機圖形中，它是創建平滑、自然的圖像最重要的工具之一。隨著技術的不斷發展和普及，越來越多的抗鋸齒技術將被提出，以滿足不同的應用和場景需求。