本文將著重搜集圖形學(xué)基礎(chǔ)中的一些容易被忽視的細(xì)節(jié)古徒，從而避免因此導(dǎo)致的效果異常問題冷离。

渲染相關(guān)

• Alpha to coverage（A2C）[3,4,7]

由于MSAA只能處理幾何邊緣近速，因此在MSAA中使用Alpha-Test繪制的物體在Alpha漸變的邊緣的鋸齒就無(wú)法被平滑扭屁，這個(gè)問題有如下三種解決方案：

1. 通過(guò)增加頂點(diǎn)的方式將alpha邊緣轉(zhuǎn)換為幾何邊緣，這種方案會(huì)導(dǎo)致幾何數(shù)據(jù)增加嘉冒，代價(jià)比較高
2. 使用alpha-blend替換alpha-test曹货，這種方案需要對(duì)模型按照從后到前進(jìn)行排序，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效果可能還會(huì)有問題
3. 通過(guò)硬件輔助實(shí)現(xiàn)的A2C進(jìn)行處理讳推，成本低顶籽，效果好。

在MSAA的實(shí)現(xiàn)中娜遵，硬件會(huì)為每個(gè)fragment下的每個(gè)sample各分配一個(gè)bit用作mask（比如4x MSAA的話蜕衡，每個(gè)fragment對(duì)應(yīng)的mask就是4bits的），這個(gè)mask可以稱之為coverage mask（這個(gè)mask是在Rasterization階段輸出的设拟，而在開啟了A2C功能后慨仿，在PS中會(huì)根據(jù)alpha值對(duì)此值進(jìn)行修正），在后續(xù)進(jìn)行blend的時(shí)候會(huì)用于判斷當(dāng)前sample是否需要更新的依據(jù)纳胧。

在開啟A2C的時(shí)候镰吆，硬件會(huì)將當(dāng)前shading pixel的alpha數(shù)值轉(zhuǎn)化為coverage，之后根據(jù)coverage對(duì)應(yīng)的mask（比如4x MSAA, coverage 87-100% 的mask為 1111, 62-87% 為 0111, 37-62% 為 0011, 12-37% 為 0001跑慕，0-12% 為 0000）對(duì)當(dāng)前像素中的sample進(jìn)行覆蓋寫入万皿。這里需要注意的是早期硬件的coverage mask是通過(guò)固定函數(shù)實(shí)現(xiàn)的摧找，但當(dāng)代顯卡卻是可以通過(guò)PS對(duì)coverage mask進(jìn)行手動(dòng)處理。

這里需要注意的是牢硅，A2C應(yīng)該只用于Alpha-Test物件蹬耘，Alpha-Blend以及不透明物件都不應(yīng)該使用减余，否則徒增消耗综苔。

使用A2C實(shí)現(xiàn)的MSAA其表現(xiàn)比FSAA效果更好，因?yàn)椴粫?huì)出現(xiàn)由于貼圖縮小導(dǎo)致的閃爍（不過(guò)貼圖放大器效果可能會(huì)更模糊位岔，這是alpha-blend方案的通踩缟浮）

• Order-Independent Tranparency(OIT)

為了得到正確的渲染效果，半透物件渲染常見的做法是將物件按照從后往前的順序進(jìn)行排序抒抬，并按順序進(jìn)行渲染杨刨。

這種做法的缺陷在于排序比較費(fèi)時(shí)，且對(duì)于存在深度穿插的物件而言擦剑，也不能完美解決問題妖胀。為了應(yīng)對(duì)這兩個(gè)問題，大家紛紛嘗試給出一種OIT渲染方案抓于，通過(guò)一種順序無(wú)關(guān)的權(quán)重計(jì)算方式來(lái)對(duì)半透物件進(jìn)行累加做粤。為了對(duì)權(quán)重進(jìn)行歸一化，通常需要將權(quán)重累加到一個(gè)單獨(dú)的buffer中（也就是需要MRT的支持）捉撮，之后通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的pass對(duì)半透物件的渲染結(jié)果（即需要將半透物件渲染到一個(gè)單獨(dú)的buffer中）進(jìn)行resolve（其實(shí)就是權(quán)重歸一化）怕品。

OIT有多種實(shí)現(xiàn)方式，這里給出一種Weighted Blended Order-Independent Transparency方案作為示例巾遭，在這個(gè)方案中肉康，權(quán)重的計(jì)算與當(dāng)前待寫入像素的depth有關(guān)（距離相機(jī)越近，權(quán)重越大灼舍，這種做法是可以理解的）吼和，在PS計(jì)算的時(shí)候，根據(jù)像素的depth以及opacity計(jì)算對(duì)應(yīng)的權(quán)重weight骑素，之后將當(dāng)前待寫入的color數(shù)據(jù)累加到半透color buffer中（float4(color* opacity, opacity) * weight）炫乓，并將weight寫入對(duì)應(yīng)的半透權(quán)重buffer中。之后按照OIT的通用邏輯進(jìn)行resolve之后與不透明buffer結(jié)果相疊加得到最終結(jié)果献丑。

• MSAA Sample Pattern

最近讀文章看到說(shuō)末捣，MSAA Sample Pattern基本已經(jīng)成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，即不論何種機(jī)型创橄，相同倍率的Sample Pattern基本上都是一致的箩做，突然很好奇，在不同的倍率下的sample pattern到底是怎樣的妥畏，這個(gè)問題MJP的DangerZone已經(jīng)做了解答邦邦。

基本實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)繪制一個(gè)高密度的grid安吁，而gird中的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)存放的是這個(gè)頂點(diǎn)的相對(duì)于grid的起始位置信息，在MSAA作用下燃辖，被grid的quad所覆蓋的sample會(huì)有數(shù)據(jù)寫入鬼店，之后將sample數(shù)據(jù)逐個(gè)輸出就能夠得到每個(gè)sample的位置信息了。原理非常簡(jiǎn)單黔龟，雖然結(jié)果不是百分百精確薪韩，但是大致夠用，如果希望得到更高精度的結(jié)果捌锭，還可以通過(guò)增加grid的尺寸做到，這里就直接借用其工具輸出各個(gè)倍率下的Sample Pattern：

1x

2x

4x

8x

D3D 10.1以后罗捎，API規(guī)定了各硬件必須遵循的MSAA sample pattern观谦，其結(jié)果與上面給出的結(jié)果中接近一致：

貼圖相關(guān)

• 貼圖采樣點(diǎn)位置

貼圖采樣中，將UV坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到貼圖空間（即從[0, 1]浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成[0, TexWidth/TexHeight]的整數(shù)）之后桨菜，整數(shù)UV（或者說(shuō)ST）對(duì)應(yīng)的實(shí)際是每個(gè)texel的中心豁状，以D3D為例，[0, 0]對(duì)應(yīng)的實(shí)際上是貼圖中左上角的texel的中心位置倒得，而非貼圖左上角的原點(diǎn)泻红。如果在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)貼圖采樣的結(jié)果距離自己的預(yù)期存在輕微的偏移，那么就是這個(gè)原因?qū)е铝讼疾簦唧w修正方法為將ST坐標(biāo)減去0.5谊路。[1]

• Mipmap相關(guān)[1][2]

  • mip級(jí)別選取的原理：物體距離相機(jī)越近，mipmap級(jí)別越低（貼圖精度越高）菩彬，相鄰像素之間的UV差距應(yīng)該越小缠劝，因此可以根據(jù)相鄰像素對(duì)應(yīng)的UV差距來(lái)判定當(dāng)前像素所對(duì)應(yīng)的mipmap級(jí)別，這個(gè)操作通常是通過(guò)dx/dy來(lái)實(shí)現(xiàn)的（這一步通常是硬件自動(dòng)完成）骗灶。
  • 使用mipmap雖然會(huì)導(dǎo)致所使用的貼圖大小有大約1/3尺寸的增幅惨恭，但是其優(yōu)點(diǎn)完全可以覆蓋因此導(dǎo)致的損失：不但有助于減輕采樣高精度貼圖導(dǎo)致的高頻顏色跳變（這其實(shí)是采樣頻率不足導(dǎo)致的重建失敗而出現(xiàn)的鋸齒感），同時(shí)還有助于減輕貼圖采樣所需要的帶寬（貼圖訪問會(huì)有一個(gè)cache機(jī)制耙旦，在訪問某個(gè)像素時(shí)脱羡，會(huì)同步將周邊的像素一并加載到顯存。采用合適的mipmap免都，有助于提升cache的效率锉罐，避免頻繁的cache miss，從而降低帶寬需要）琴昆。
  • 不是所有的貼圖都應(yīng)該使用mipmap：
    • 不需要進(jìn)行filtering的貼圖（比如索引氓鄙、深度等非image信息）不應(yīng)該使用mipmap
    • 不會(huì)因?yàn)橄鄼C(jī)遠(yuǎn)近而縮放的貼圖（比如UI所使用的的貼圖等）不應(yīng)該使用mipmap

• 貼圖過(guò)濾
  目前常用的貼圖過(guò)濾（filtering）方法有以下幾種，按照順序业舍，效果與性能消耗逐漸提升：

  • point filtering抖拦，點(diǎn)采樣升酣，無(wú)任何過(guò)濾，相當(dāng)于直接采取貼圖上最近的texel作為輸出結(jié)果（一次貼圖采樣）
  • bilinear filtering，雙線性采樣，會(huì)根據(jù)uv坐標(biāo)的小數(shù)部分對(duì)相鄰的四個(gè)texel進(jìn)行采樣并加權(quán)平均（通常由硬件自動(dòng)完成）固蚤，效果相對(duì)點(diǎn)采樣有極大提升链方，鋸齒感得到較好的抑制，但是圖像也會(huì)相對(duì)模糊镶摘。（四次貼圖采樣）
  • trilinear filtering，三線性采樣，對(duì)計(jì)算得到的mipmap層級(jí)保留其小數(shù)部分凿菩，據(jù)此增加一層mipmap級(jí)別的過(guò)濾處理，即同時(shí)對(duì)相鄰兩層mipmap應(yīng)用bilinear filtering帜讲，之后根據(jù)mipmap小數(shù)部分對(duì)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均（八次貼圖采樣）
  • anisotropic filtering衅谷，各向異性采樣，直接按照x/y方向上的最大梯度來(lái)計(jì)算mipmap級(jí)別會(huì)導(dǎo)致一個(gè)狹長(zhǎng)的物體在屏幕上的效果較為模糊似将，為了能同時(shí)兼顧兩個(gè)方向上的梯度變化获黔，通常需要通過(guò)各向異性采樣來(lái)解決。各向異性采樣算法稍微復(fù)雜一點(diǎn)在验，需要將屏幕空間的像素按照短軸（而非普通mipmap算法中按照長(zhǎng)軸）計(jì)算的mipmap層級(jí)投影到貼圖空間玷氏，之后得到多個(gè)對(duì)應(yīng)的texel sample，在每個(gè)sample上應(yīng)用trilinear filtering并加權(quán)平均得到最終的結(jié)果腋舌，具體可以參考使用最廣的FAST(Footprint Area Sampled Texturing)算法實(shí)現(xiàn)盏触。

參考文獻(xiàn)

1. 圖形學(xué)底層探秘 - 紋理采樣、環(huán)繞块饺、過(guò)濾與Mipmap的那些事
2. Do Use Mipmapping
3. MSAA and alpha-to-coverage
4. Alpha to coverage - Humus
5. Weighted Blended Order-Independent Transparency
6. 亂彈紀(jì)錄II:Alpha To Coverage
7. UE426終于實(shí)現(xiàn)了Alpha to Coverage