Anti-Aliasing Techniques

1. ANTI – ALIASING ( AA ) 기법
2012년 3월 31일
카제키리 ( 이진우)

2. 차례
• AA란?
• AA의 종류
• 앨리어싱이 생기는 이유
• SSAA
• MSAA
• CSAA
• MLAA
• DLAA
• DEAA
• GBAA
• SRAA
• FXAA
• SMAA
• TXAA
• 결론

4. AA란?
• 다각형을 픽셀로 표현하고자 할때 픽셀의 크기때문에 생기는 계단현상( 앨리
어싱 )을 처리 하는 방법
• 오브젝트의 윤곽선 부근에 발생하는 톱니 모양의 들쭉날쭉한 모양을 희미하
게 해서 보이지 않게 하는 처리
• AA처리를 얼마나 저렴한 비용으로 할수 있는가 독립적으로 사용할 수 있는가
가 관건

5. AA의 종류
• FXAA(Fast Approximate AA)
• QAA (Quincunx AA)
• EQAA (Enhanced Quality AA)
• MSAA (Multi-Sampling AA)
• MLAA (Morphological AA)
• DLAA (Directionally Localized Anti-Aliasing
• TXAA (Temporal Approximate(?) AA)
• SMAA(Enhanced Subpixel Morphological AA)
• SPUAA(The Saboteur Anti-Aliasing)
• SRAA(Subpixel Reconstruction Antialiasing)
• DEAA(Distance-to-Edge AA)
• GBAA(Geometry Buffer AA)
• SSAA(SuperSampling AA)
• CSAA(Coverage Sampling AA)
• HRAA(High Resolution AA)
• SMAA(Enhanced Subpixel Morphological Antialiasing)

6. 앨리어싱이 왜 생기는가?

7. 앨리어싱은 왜 생기나요?

8. 앨리어싱은 왜 생기나요?

9. SSAA

10. SSAA
• SuperSampling AA = FSAA(Full-Scene AA)
• 모든 픽셀에 대하여 픽셀당 한 개 이상의 샘플을 추출하는 방식
• 표시하는 해상도 보다도 고해상도로 렌더링 한 뒤, 원래 해상도로 축소해서 사
용하는 방식
• 차이를 모를 수도 있으나 나름.. 계단현상이 대폭 사라지게 됨
•

11. SSAA 의 종류
Grid Algorithm Random Poisson Disc Jitter Rotated Grid
Jitter : Poisson Disc에 가까운 그리드 알고리즘의 수정판

12. SSAA
• 픽셀당 모두 수행하므로 부하가 매우 큼 ½ ~ 최고 ¼
• 메모리 대역폭을 많이 잡아먹음
메모리 대
• 퀄리티는 대신 최고… 보통 SSAA나 MSAA로 퀄리티 비교를 많이 함
역폭
따위…

13. MSAA

14. MSAA
• Multi-Sampling Anti-Aliasing
• Super-Sampling을 효율과 성능면에서 최적화 한것(Partial Super- Sampling)
• 도형과 겹치는 픽셀칸에서 가운데 한점 뿐이 아니라 한칸당 한개 이상의 지점
에서 정보를 수집한다는 의미
• 가장 보편적인 AA 방법
• 문제는 멀티 샘플링시 필요한 프레임버퍼의 정보크기가 2배로 됨
( 디퍼드 와 같이 쓰기에 매우 무거움)
• 대역폭을 많이 잡아먹음. 더 많은 GPU 리소스 필요

15. MSAA VS SSAA

16. 멀티 샘플링 -1 (2x MSAA)

17. 멀티 샘플링 -2 (2x MSAA)

18. 2x 4x 8x 멀티 샘플링

19. 멀티 샘플링 체크

20. MSAA.. 퀄리티는 괜찮지만
• CPU 기반
• 역시나 부하가 큼
• 이미지에 대해 상관없이 그냥 여러 번 샘플링 함
• AA 기준의 척도가 됨
• 현재 나오는 AA는 MSAA x N 만큼 성능이 좋으며 이정도 속도를 내며 메모리도
적게 먹는다로 말함

21. Deferred – MSAA ?
• 디퍼드 렌더링의 고질적 문제 ( AA )
• 하드웨어의 가속 을 간접적으로 받게 하여 MSAA를 손쉽게 구현할 수 있음
• http://mynameismjp.wordpress.com/2010/08/16/deferred-msaa/

22. Deferred – MSAA ?
• #1. 4xMSAA를 켜고 씬의 모든 도형을 Z- Prepass에서 렌더
#2. MSAA를 끄고 정상적으로 HDR 랜더 타겟에 렌더
#3. 톤 매핑 및 기타 후처리를 적용
#4. "Deferred AA"를 적용 : #1에서 만들어진 MSAA Depth-버퍼를 샘플링하여 픽
셀 범위를 계산하고 범위를 기반으로 필터

23. CSAA

24. CSAA
• Coverage Sampling AA
• 범위 형태의 샘플링
• MSAA와 방식은 거의 유사
• GeForce 8000시리즈부터 지원 (NVIDIA만 지원)
• MSAA와 비슷한 성능으로 적은 메모리 소비
• (4xMSAA ≒ 4 Sample Count(8x 16x CSAA)

25. Implementation- Dx9
• #1 NVIDIA 그래픽 카드인지 체크
• #2 CheckDeviceMultisampleType()로 Qulity Level 체크
• Sample Count >4 && Qulity Level >4 이면 CSAA 지원 가능

26. Implementation- Dx10
• #1 NVIDIA 그래픽 카드인지 체크
• #2 CheckMultisampleQualityLevels()로 Sample Count 와 Qulity Level 체크
• Sample Count >4 이고
• Qulity Level >8 이면 8x CSAA Qulity Level > 16 16x CSAA

27. CSAA

28. MLAA

29. MLAA
• MorphoLogical Anti-Aliasing
• 이미지 베이스 AA
• NO AA 에 포스트 프로세스(후처리)방식
• SPU/GPU 친화적(PS3에 적합)
• 스크린 스페이스 필터 ( 화면분석)
• 메쉬의 패턴(계단패턴)을 파악한 다음 중간색을 넣어 완화
• 메모리 절약( 2x MSAA 의 절반 정도)
• 대역폭 절약(광원효과등을 추가로 처리 가능)
• Fill rate 절약(반투명 효과처리가능한 리소스 증가)
• PC의 경우 라데온만 지원

30. MLAA

31. MLAA 알고리즘
• 엣지 (픽셀을 가로지르는 선)
• L, U, Z 패턴으로 인식
• 가중치 계산
• 컬러 합성

32. MLAA
Pattern Detection Edge Detection

33. MLAA 장 단점
• PC에서는 비슷한 퀄리티로 MSAA보다 빠름
• 콘솔의 경우 MSAA는 하드웨어 제약으로 샘플 카운트가 제한되 있기에 MLAA
가 보다 나은 퀄리티를 보장
• 이미지 베이스 기반이기에 CELL이나 SPE에서 사용하기 좋음 (화면 해석)
• 디퍼드 렌더링엔진에서 특히 사용하기 편한 MRT와 같이 사용 가능
• 톤 매핑 후 수행되는 안티앨리어싱이기에 HDR 사용할때 퀄리티가 증가
• MSAA와 호환되지 않음
• 서브 픽셀 문제 (후처리 이므로…)

34. DLAA

35. DLAA
• Directionally Localized Anti-Aliasing
• 프레넬 공식 기반
• MLAA와의 퀄리티 차이가 거의 없음 속도가 빠름
• 모션 블러 등이 걸렸을때에 효과는 MLAA보다 우수함

36. DLAA
 Blur Vertically
 Find Vertical Edges
 Build Edge Mask
saturate( abs( x ) · a – b )
 Blend With Original Layer
 Same Horizontally

37. DLAA
• "Xbox 360 : 2.2 +/- 0.2ms @ 1280x720
• "PlayStation3 (5 SPUs) : 1.6 +/- 0.3ms @ 1280x720“
• “MLAA ( 5 SPUs) : 4ms

38. DLAA 영상

39. DEAA

40. DEAA
• Distance-to-Edge AA
• 후처리 방식
• 픽셀 셰이더에서 엣지까지의 거리를 계산 하는 방식
• (Edge Vertices 들이 0이 되는 텍스처 좌표의 ddx,ddy를 사용, 포워드 픽셀 셰이더
에서 엣지까지의 거리를 계산)
• 추가 공간이 필요
• 주어진 삼각형으로 픽셀 셰이더에서 엣지까지의 거리를 계산
• distance_x = -v/ddx (V); distance_y = -v/ddy (V)
• DEAA버퍼를 Alpha-to-Coverage에 시뮬레이션하는데도 사용 가능

41. DEAA

42. DEAA 단점
언더 샘플링 문제
• Triangles thinner than a pixel
• 서브픽셀의 Gap 등
엣지 정보가 없는 애들
• Interpenetrating geometry
• 그림자 엣지
• 텍스처 앨리어싱

43. GBAA

44. GBAA
• Geometry Buffer Anti-Aliasing
• 게임엔진이 Edge가 어디에 있는지 아는 것을 활용
• DEAA와 비슷한 개념
• Main-Pass 렌더 타겟에 저장되어 있는 지오메트리 정보를 사용
• 고정 비용으로 사용 가능

45. GBAA
float2 offset = GeometryBuffer.Sample(Point, In.TexCoord).xy;
// Check if edge intersects pixel, otherwise search neighborhood
[flatten] if (max(abs(offset.x), abs(offset.y)) > 0.5f) {
offset = 0.0f;
float2 offset0 = GeometryBuffer.Sample(Point, In.TexCoord, int2(-1, 0)).xy;
float2 offset1 = GeometryBuffer.Sample(Point, In.TexCoord, int2( 1, 0)).xy;
float2 offset2 = GeometryBuffer.Sample(Point, In.TexCoord, int2( 0, -1)).xy;
float2 offset3 = GeometryBuffer.Sample(Point, In.TexCoord, int2( 0, 1)).xy;
if (abs(offset0.x - 0.75f) < 0.25f) offset = offset0.xy + float2(-1, 0);
if (abs(offset1.x + 0.75f) < 0.25f) offset = offset1.xy + float2( 1, 0);
if (abs(offset2.y - 0.75f) < 0.25f) offset = offset2.xy + float2( 0, -1);
if (abs(offset3.y + 0.75f) < 0.25f) offset = offset3.xy + float2( 0, 1);
}
float2 off = (offset >= float2(0, 0))? float2(0.5f, 0.5f) : float2(-0.5f, -0.5f);
offset = offset? off - offset : offset;
// Blend pixel with neighbor pixel using texture filtering and shifting the coordinate appropriately .
return BackBuffer.Sample(Linear, In.TexCoord + offset.xy * PixelSize);

46. GBAA
No AA GBAA
GPU: Radeon HD 5870

47. GBAA
• Geometry Shader를 사용하므로 DX10이상 지원, 콘솔에서는 불가..
• Internal Edge는 하지 않음.
• 픽셀당 다중 엣지 검출 문제..

48. SRAA

49. SRAA
• Subpixel Reconstruction Anti-Aliasing
• 디퍼드 렌더링 타겟으로 만들어짐
• MSAA의 깊이버퍼 필요(Deferred-MSAA와 거의 유사)
• R8 ID Buffer 사용 (Depth + Normal Compression)
• 빌보드에 대한 알파 블렌딩을 유지
• GeForce 560 해상도 1080p에서 1ms
• SSAA, MSAA, CSAA 와 호환가능
(주로 조합 형태로 사용)

50. SRAA
• G 버퍼에 노멀과 Z 값을 저장
• MSAA를 켜고 씬을 렌더링
• MSAA를 끄고 G-버퍼를 가지고 라이트 버퍼 렌더링
• Light – Pre Pass에서 최종 버퍼 렌더링
• 후처리 적용
• 가중치 계산후 컬러 합성
노멀과 Z 사용

51. SRAA
• No AA 16x SSAA SRAA
• SRAA

52. SRAA
• No AA 16x SSAA SRAA
• SRAA

53. SRAA
• No AA 16x SSAA SRAA
• SRAA

54. SRAA 와 Deferred - MSAA
- Deferred-MSAA
• G-버퍼 만을 MSAA로 렌더링 후 다음은 평범하게 렌더링
• 마지막으로 후처리로 엣지를 뭉개는 방식을 사용
- SRAA
• 엣지를 박스필터등으로 뭉갬(논문에서는 바이리터럴 필터를 사용)
• 이때 가중치는 거리가 아닌 엣지의 강도(Z값이나 법선의방향)에 의해 산출

55. FXAA

56. FXAA
• Fast Approximate Anti-Aliasing
• NVIDA에서 출시 (계속 업데이트 시켜주심)
• 후처리 이므로 독립적임(엔진에 독립적임)
• DX9,10,11 다 지원 그래픽카드 안가림
• 초딩도 5분이면 적용 (매우 간단)
• 소스코드 http://timothylottes.blogspot.com/2011/07/nvidia-fxaa-39-released.html
• 현재 3.11 까지 배포 – 4.0 배포 예정

57. FXAA
NO AA
4x MSAA
FXAA

58. FXAA의 연산과정
• Shader Define으로 확인 가능
• FXAA_DEBUG_PASSTHROUG (edge Detection)
• FXAA_DEBUG_HORZVERT ( Divide Horz, Vert)
• FXAA_DEBUG_PAIR(High Contrast)
• FXAA_DEBUG_NEGPOS (Checking Edge Dir)
• FXAA_DEBUG_OFFSET (Subpixel.. Reduce Aliasing Process)
• Resample
• Color blending

59. 구현이 쉽다? -1
• 파일을 하나 만들어서 인클루드 한다
• (매번 업데이트 되므로 이방법이 나음)

60. 구현이 쉽다? -2
• #define 세팅
• DX10, 11일 경우
• HLSL4나 5도 가능

61. 구현이 쉽다? -3
• 함수 호출

62. 구현이 쉽다? -4
• 텍스처 처리
• 저 숫자의 의미는?
• 마지막으로 감마 코렉션만 해주면 됨
• (RGB는 리니어한 공간, Luminance가 저장된 곳은 감마 공간에 있어야 하므로)

63. FAST니까… -1

64. FAST 니까…-2

65. SMAA

66. SMAA
• Enhanced Subpixel Morphological Antialiasing
• Eurographics 2012에서 Jorge Jimenez, Jose I. Echevarria, Tiago Sousa, Diego Gutierrez
• SMAA: Enhanced Subpixel Morphological Antialiasing이라는 논문으로 발표
• 보케현상이 심하거나 각도에 따라 지글거리는 FXAA의 단점을 보완
• FXAA 만큼의 속도를 자랑

67. SMAA와 다른 AA와의 비교

68. 각 샘플링에 따른 비교

70. SMAA
• 관계없는 HUD 주변까지 같이 AA가 걸리게 되어
• Steam 오버레이나 FRAPS등의 툴이 제대로 동작하지 않게 된다.
• SMAA도 FXAA와 같이 소스코드가 릴리즈 되어있기 때문에, 셰이더를 붙이기
만 하면 사용 가능하다.

71. TXAA

72. TXAA
• Temporal Approximate Anti- Aliasing
• GDC 2012 – NVIDIA에서 발표
• DirectX 11.0 부터 지원
• GTX 400/500/600 계열만 지원 ( ATI 안됨)- 즉 범용성 적음
• 고해상도의 Z 버퍼를 샘플링 함
• 과거 프레임에 대해서도 샘플 픽셀 단위의 엣지 정보를 샘플링하므로 시간적
인(Temporal) 안티 앨리어싱이라 부름
• 아직 정확한 알고리즘 내부는 비공개

73. TXAA
• TXAA1 과 TXAA2를 공개
• TXAA1 (2xMSAA 비용 = 8xMSAA 효과)
• TXAA2 (4xMSAA 비용 = 8xMSAA 이상의 효과)

74. TXAA와 MSAA 비교

75. TXAA

76. TXAA

77. TXAA

78. TXAA 와 SMAA
• Temporal Rejection ( 과거 프레임의 Z 버퍼를 참조하는 일) 수행
• 서브 픽셀 단위의 엣지 정보를 분석
• GDC2012에서 크라이텍이 소개한 SMAA와 비슷하다고 생각 됨
난 그렇다
고 생각함

79. 그 밖에..
• QAA
• TAA
• NFAA
• SPUAA
• HRAA
• EQAA

80. 결론
• 그 외에 다양한 AA 처리 기법이 있으며 현재도 계속 연구 중에 있다
• 저마다 장 단점이 있으며 완전하다고 말 할 수 없다
• (자신의 게임에 최대한의 결과를 낼 수 있는 AA처리를 찾는 것이 중요)
• 현재로써는 TXAA , SMAA는 눈 여겨 볼만한 AA

81. Q&A

82. Reference
• http://blog.daum.net/sj_fly/11
• http://iryoku.com/aacourse/
• http://developer.nvidia.com/csaa-coverage-sampling-antialiasing
• http://d.hatena.ne.jp/yakiimo02/20110401/1301665383
• http://zzinga.egloos.com
• http://timothylottes.blogspot.com/2011/07/nvidia-fxaa-39-released.html
• http://developer.download.nvidia.com/assets/gamedev/files/sdk/11/FXAA_WhitePaper.pdf
• http://www.gamedevforever.com/46 게임개발 포에버
• 니시카와 젠지의 3D 게임 팬을 위한 그래픽스 강좌
• 그 외-..- 조낸 구글링