图形学自问自答3——反走样和纹理过滤

新长征路上的摇滚

1.多重采样MSAA和超SSAA采样有什么区别？

MSAA 和 SSAA 都是反走样（抗锯齿）的手段，具体实现原理有差别。

1.1 SSAA（Super-Sample Anti-Aliasing）原理：

以一个更大的分辨率来渲染场景，然后再把相邻像素值做一个过滤（比如平均等）得到最终的图像（Resolve）。以2倍SSAA 为例，在以 1024x1024 的像素渲染画面时，会以 2048x2048 的分辨率生成缓冲区，缓冲区中的每一个片元都会执行一遍片元着色器，最后再把原本属于一个片元的4个子片元的颜色进行计算得到实际片元的颜色。

• 实际片元如何生成4个子片元？

最常用的一种方法是平均取4个点，也有很多其它的算法，包括随机生成等。如图：

子片元生成方法

• 4个子片元的颜色如何得到实际片元的颜色
  最常用的是取平均值

1.2 MSAA（Multiple-Sample Anti-Aliasing）原理：

和SSAA类似，2倍MSAA为例，每个实际片元也生成4个子采样点，也需要使用一个更大分辨率的缓冲区来存放子采样点的颜色。与 SSAA 的差别在于，并不是每个子采样点都会执行片元着色器。而只有实际片元会执行片元着色器，若子采样点被覆盖，则该子采样点的颜色被设置为实际片元执行片元着色器得到的颜色，同时需要记录每个子采样点是否被覆盖，以及覆盖该子采样点的深度值。最终由硬件将子采样的的颜色值计算得到片元的实际颜色。

多重采样简单过程

• 子片元生成和实际片元颜色计算
  基本和 SSAA 一样，有多种生成子片元的方法，颜色计算的方法通常是取平均值。

2. 纹理的 FilterType 选项是什么意思？

常用的引擎（Unity、Cocos Creator）等，纹理设置都有 FilterType 这个设置，通常的选项是以下几种：

• Point
• Bilinear
• Triliner

我们知道，屏幕是由若干个像素组成，像素是一个有大小的“格子”。而纹理也是由若干个纹素组成，纹素同样是“格子”。当渲染一张纹理到屏幕时，最理想的情况是，渲染区域分辨率和纹理本身的分辨率一样，也就是说纹素正好和像素一一对应。这种理想情况下，纹理采样时，像素中心的 uv 坐标应该正好落在某一个纹素的中心，可以直接取这个纹素的颜色作为像素的颜色。
然而大部分情况下，纹理和渲染区域不具有相同分辨率，此时像素中心点的uv坐标不会落在纹素的中心，此时该如何确定像素的颜色会得到更好的显示效果呢？

• 纹理尺寸过小
  纹理尺寸过小时，多个像素的纹理坐标会映射到同一个纹素，出现锯齿或模糊
• 纹理尺寸过大
  一个像素覆盖了多个纹素，此时怎么根据多个纹素来确定像素的颜色呢？通常取距离uv坐标最近的纹素作为采样结果，这会出现摩尔纹现象。
  FilterType 的设置就是用来确定当渲染区域和纹理的分辨率不一样时，如何确定像素的颜色，选择合适到 FilterType 能够得到更好到显示效果。

2.1 Point 最近点采样

• 采样策略：
  使用距离纹理坐标最近的纹素作为该像素的采样结果。
• 优点：
  每个像素只需一次采样，速度快。
• 缺点：
  显示区域与纹理尺寸不同时，采样结果就会变形或模糊。

2.2 Bilinear 双线性过滤

• 采样策略：
  以纹理坐标为中心，取该纹理坐标周围4个纹素，再取平均作为该像素采样结果。

• 优点：
  像素之间的过渡更加平滑，一定程度上改善模糊效果。
  *缺点：
  只作用于一个MipMap Level，选取但是纹素和像素大小最接近但那一层 MipMap 进行采样，当像素实际大小接近两层MipMap中间时，有些情况效果不太好。

  
  双线性采样示意

2.3 Trilinear 三线性过滤

• 采样策略：
  选取与像素实际大小接近的两层 MipMap，分别进行一次双线性采样，针对两个采样结果进行线性差值，得到最终结果。
• 优点：大部分情况下效果理想，特别是纹理尺寸比显示区域大的情况下，可以有效避免摩尔纹的产生。
• 缺点：需要开启 MipMap，在未开启 MipMap 的情况下，将退化为双线性采样；
  采样次数较多，性能消耗大。

三线性过滤示意图