问题

请问FXAA、FSAA与MSAA有什么区别?效果和性能上哪个好?

回答
好的,我们来好好聊聊 FXAA、FSAA 和 MSAA 这几位在游戏画面抗锯齿领域里的大名鼎鼎的人物。它们都是为了解决游戏画面中恼人的“锯齿”,也就是那些看起来像楼梯一样参差不齐的边缘线。但它们各自的“招式”和侧重点却不太一样。

咱们一个一个来拆解,然后比较一下它们的效果和性能表现。

1. MSAA(MultiSample AntiAliasing)—— 多重采样抗锯齿

MSAA 是这三者中最老牌、最基础,也是在传统图形管线中最核心的一种抗锯齿技术。它的核心思想是:在渲染画面的时候,不只在一个像素点上进行采样,而是对一个像素内部进行多次(采样数决定)采样。

想象一下,你要画一个圆形。如果只看圆心一个点,可能这个像素就判断是黑色。但如果对这个像素内部的四个点(比如左上、左下、右上、右下)都进行采样,你会发现有几个点在圆形内部,有几个在圆形外部。这样,你就能更准确地判断这个像素应该是什么颜色,从而更平滑地过渡边缘。

MSAA 的工作原理拆解:

采样点: 在一个像素的“物理边界”内,MSAA 会根据设定的采样倍数(例如 2x, 4x, 8x)在像素内放置多个“虚拟”采样点。
深度和颜色缓冲: 当几何体(比如一个多边形)的边缘穿过一个像素时,MSAA 会对这些穿过的“采样点”进行更详细的检测。它会检查每个采样点所在的“深度”信息(这个点离屏幕有多远)以及“颜色”信息。
覆盖率 (Coverage Mask): 根据采样点落在物体内部还是外部,MSAA 会生成一个“覆盖率掩码”。这个掩码可以理解为:这个像素有多少比例是被物体覆盖的。
颜色混合: 最后,在确定了覆盖率之后,MSAA 会将物体颜色和背景颜色按照覆盖率进行混合。覆盖率越高,物体颜色占比越大;覆盖率越低,背景颜色占比越大。这就实现了边缘的平滑过渡,而不是生硬的黑白界限。
锐化不影响: 由于 MSAA 是在“几何边缘”处进行的深度和颜色采样,它不会对画面中已经生成的颜色(比如贴图、纹理)进行模糊处理。因此,MSAA 在抗锯齿的同时,能够保持画面细节的锐利度。

MSAA 的效果:

优点:
高质量的边缘平滑: 对几何体边缘的锯齿处理效果非常出色,平滑自然。
保留画面细节: 不会对纹理和贴图产生模糊,画面的锐利度非常好。
稳定的效果: 在大多数情况下,它的抗锯齿效果是稳定且肉眼可见的。
缺点:
性能开销大: 每增加一个采样倍数,就意味着需要进行更多的深度和颜色计算,对显卡性能的压力是比较大的。尤其是在高分辨率下,性能影响会更显著。
无法处理“像素内”的细节: MSAA 主要处理的是模型边缘的锯齿,对于画面中一些细小的、本身就看起来像锯齿一样的纹理(比如网格、毛发、雨滴)效果有限,因为它是在像素边界上做文章,而不是在像素内部的纹理上。

性能影响: 性能影响是所有抗锯齿技术中相对最大的,特别是当采样倍数提高时。例如从 4x MSAA 到 8x MSAA,性能损失可能会翻倍。

2. FXAA(Fast Approximate AntiAliasing)—— 快速近似抗锯齿

FXAA 和 MSAA 的思路完全不同。MSAA 是在渲染阶段之前或过程中就“预处理”好边缘,而 FXAA 则是在画面渲染完成后,对整个屏幕图像进行“后处理”的。它更像是一个“图像美颜”的滤镜。

FXAA 的核心思想是:通过分析图像中亮度变化剧烈的区域(也就是我们肉眼感觉到的“锯齿”),然后对这些区域的像素进行柔化处理,使其颜色和周围像素更接近,从而达到近似的平滑效果。

FXAA 的工作原理拆解:

图像分析: FXAA 会扫描整个屏幕上的像素,寻找那些亮度(或者说颜色)变化非常快的“边沿”。它会分析一个像素与其周围像素的颜色差异。
检测锯齿: 当它检测到一个像素的颜色与相邻像素(尤其是对角线方向)差异很大时,它会判断这个区域可能存在锯齿。
颜色混合/模糊: FXAA 会根据检测到的边缘强度,对这些高对比度的像素进行一定程度的颜色混合或模糊。通常是沿着边缘的“法线”方向进行采样和混合,尝试让边缘像素的颜色向中间值靠拢。
后处理: 这个过程是在所有渲染都完成后进行的,所以它是一个“后期滤镜”。

FXAA 的效果:

优点:
性能开销极低: 由于它只是一个图像后处理滤镜,对显卡资源的占用非常少,几乎不会对帧率造成明显影响。
处理范围广: 不仅能处理几何体边缘,还能处理一些纹理上的细节(比如远景中的树叶、栅栏等),这些细节即使是 MSAA 也难以顾及。
缺点:
模糊画面: 这是 FXAA 最显著的缺点。为了平滑边缘,它不可避免地会对图像中的所有高对比度边缘进行处理,包括本应清晰的纹理、细节甚至是文字。这会导致整个画面看起来有点“糊”,丢失锐利度。
可能产生假影: 有时它也会将一些非锯齿的细节误判为锯齿而进行模糊,产生不自然的“晕染”效果。

性能影响: FXAA 的性能影响是最小的,几乎可以忽略不计。这也是它受欢迎的主要原因。

3. FSAA(FullScene AntiAliasing)—— 全屏抗锯齿

这里需要澄清一下,在现代游戏领域,“FSAA”这个词的使用,有时候会泛指所有类型的全屏抗锯齿技术。但如果严格来说,它通常是指一种比 MSAA 更早、更粗暴的抗锯齿方式,或者是用来概括性地描述一个游戏是否开启了某种抗锯齿。

在一些老的游戏或者硬件中,可能存在一种叫做“超采样抗锯齿”(SSAA,Supersampling AntiAliasing)的技术,它比 MSAA 更耗费资源,但效果也更好。SSAA 的原理是:以比目标分辨率更高的分辨率渲染场景,然后将渲染好的高分辨率图像缩小到目标分辨率,通过缩小过程中的采样平均来达到抗锯齿效果。 这就像是用一个大尺度的网格去捕捉一个精细的形状,然后再压缩回小网格。

如果有人提到 FSAA 是指这种技术,那么它与 MSAA 和 FXAA 的区别在于:

FSAA(泛指/SSAA):以更高的分辨率渲染整个场景,然后缩放到目标分辨率。
效果: 通常是最好的,边缘最平滑,同时也能改善画面整体的清晰度。
性能: 最差,因为它需要渲染整个屏幕多倍的像素。

MSAA:在目标分辨率下,对几何体边缘的像素进行多次采样。
效果: 优秀,保留细节。
性能: 较大。

FXAA:在目标分辨率下,对已渲染好的图像进行后处理分析和模糊。
效果: 可以接受,但会模糊画面。
性能: 极小。

在大多数现代游戏引擎中,当你在设置里看到“FSAA”这个选项,并且它不是指“关闭”的时候,它很可能实际上是指 MSAA 或其变种(如 QSAA,Quality MSAA),或者有时也可能是一些厂商自定义的基于后处理的抗锯齿技术(但这种情况较少,通常会直接命名)。

为了避免混淆,我们主要还是聚焦在 MSAA 和 FXAA 的区别上。

效果和性能对比:哪个好?

这个问题没有绝对的答案,因为“好”取决于你更看重什么。

| 特性 | MSAA (MultiSample AntiAliasing) | FXAA (Fast Approximate AntiAliasing) |
| : | : | : |
| 原理 | 多次采样几何体边缘的深度和颜色 | 后处理,分析图像亮度变化剧烈的区域并模糊 |
| 处理对象 | 主要针对几何体边缘(多边形)的锯齿 | 图像中的高对比度边缘,包括几何体和纹理细节 |
| 画面锐利度 | 高,几乎不影响纹理和细节的清晰度 | 低,普遍会造成画面模糊,牺牲锐利度 |
| 边缘平滑度 | 优秀,平滑自然,效果稳定 | 尚可,能一定程度平滑边缘,但可能引入假影 |
| 对纹理细节 | 几乎无影响 | 可能模糊,对精细纹理效果不好 |
| 性能开销 | 高,特别是当采样倍数增加时 | 极低,几乎可以忽略不计 |
| 易用性 | 需要显卡硬件支持,性能压力大 | 兼容性好,对硬件要求低 |
| 适用场景 | 对画面细节和锐利度有较高要求,且显卡性能充足 | 追求高帧率,或者显卡性能不足以开启 MSAA 的情况 |

总结来说:

如果你追求极致的画面质量,并且你的显卡性能非常强劲,那么 MSAA 是更好的选择。 它能在保证画面细节和锐利度的前提下,提供非常出色的边缘平滑效果。选择高倍数的 MSAA(如 4x 或 8x)能带来非常细腻的视觉体验。
如果你希望在不牺牲太多性能的情况下,改善一下画面的锯齿感,或者你的显卡性能有限,那么 FXAA 是一个不错的妥协。 它的低性能开销是最大的优势,能够让你在老游戏或低端显卡上也能享受到比没有抗锯齿更好的画面。但你要做好画面会稍微变模糊的心理准备。

现代游戏中的趋势:

随着图形技术的进步,又出现了一些更高级的抗锯齿技术,比如:

TXAA (Temporal AntiAliasing):这是英伟达(NVIDIA)提出的一种时间性抗锯齿技术,它结合了 MSAA 的空间采样和帧间的 temporal(时间)信息,能有效地减少闪烁和锯齿,并且相比 MSAA 通常有更好的细节保留和性能表现。
SMAA (Subpixel Morphological AntiAliasing):这是另一种优秀的后处理抗锯齿技术,它比 FXAA 更聪明,能更准确地识别并平滑锯齿,同时尽量减少对画面锐利度的影响。效果介于 FXAA 和 MSAA 之间,但性能消耗也比较低。
DLSS (Deep Learning Super Sampling) / FSR (FidelityFX Super Resolution):这些技术更偏向于“超采样”和“AI 画质提升”,它们以较低的分辨率渲染画面,然后通过 AI 或智能算法放大并优化到目标分辨率,同时也能包含抗锯齿的效果。它们可以在大幅提升帧率的同时,提供接近甚至超越原生高分辨率的画质,是目前非常主流的抗锯齿和性能提升解决方案。

所以,当你现在玩游戏时,看到抗锯齿选项,除了 MSAA 和 FXAA,可能还会遇到 TXAA、SMAA,甚至还有 DLSS/FSR。理解 MSAA 和 FXAA 的区别,是理解这些更高级技术的基础。

希望这个详细的解释能让你对这几种抗锯齿技术有个清晰的认识!

网友意见

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看到之前的回答实在是醉了- -"

首先所有MSAA, SSAA, FXAA, TXAA等都是抗锯齿(Anti-Aliasing)技术。

锯齿的来源是因为场景的定义在三维空间中是连续的,而最终显示的像素则是一个离散的二维数组。所以判断一个点到底没有被某个像素覆盖的时候单纯是一个“有”或者“没有"问题,丢失了连续性的信息,导致锯齿。

最直接的抗锯齿方法就是SSAA(Super Sampling AA)。拿4xSSAA举例子,假设最终屏幕输出的分辨率是800x600, 4xSSAA就会先渲染到一个分辨率1600x1200的buffer上,然后再直接把这个放大4倍的buffer下采样致800x600。这种做法在数学上是最完美的抗锯齿。但是劣势也很明显,光栅化和着色的计算负荷都比原来多了4倍,render target的大小也涨了4倍。

MSAA(Multi-Sampling AA)则很聪明的只是在光栅化阶段,判断一个三角形是否被像素覆盖的时候会计算多个覆盖样本(Coverage sample),但是在pixel shader着色阶段计算像素颜色的时候每个像素还是只计算一次。例如下图是4xMSAA,三角形只覆盖了4个coverage sample中的2个。所以这个三角形需要生成一个fragment在pixel shader里着色,只不过生成的fragment还是在像素中央(位置,法线等信息插值到像素中央)然后只运行一次pixel shader,最后得到的结果在resolve阶段会乘以0.5,因为这个三角形只cover了一半的sample。现代所有GPU都在硬件上实现了这个算法,而且在shading的运算量远大于光栅化的今天,这个方法远比SSAA快很多。顺便提一下之前NV的CSAA,它就是更进一步的把coverage sample和depth,stencil test分开了。

MSAA的一个问题就是和现在大街小巷都是的deferred shading框架并不是那么兼容。因为用deferred shading的时候场景都先被光栅化到GBuffer上去了,不直接做shading。硬要做的话可以看我之前写的这个SDK Sample(

Antialiased Deferred Shading

,大概思路就是用各种方法检测一下哪个pixel是被多个fragment cover的才手动做super sampling)。

因为MSAA这个问题现代引擎里都用的是Post Processing AA这一类技术。这一类东西包括FXAA,TXAA等,不依赖于任何硬件,完全用图像处理的方法来搞。有可能会依赖于一些其他的信息例如motion vector buffer或者前一贞的变换矩阵来找到上一贞像素对应的位置,然后再做一些hack去blur或者blend上一贞的颜色等。通常非常hacky,FXAA的发明人原来是我们组的,他自己都不知道这个为什么会work- -”,但是精心调校之后后效果还是很好的,例如下面是UE4的Post Processing AA开关对比图:

最后再扯一下NV最新的那个MFAA(Multi-Frame AA),因为Maxwell架构支持的programmable coverage sample location,所以可以做到贞间用不同的coverage sample位置,当FPS足够高的时候,2xMFAA就可以达到4xMSAA的效果。

对玩家来说,看着舒服就行。当然像使命召唤这种明明是forward rendering还要用SSAA来抗锯齿的,在显卡烂的机子上开还是要慎重的。。

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