Anti-Aliasing im Detail

24. Februar 2002 / von aths / Seite 5 von 18

	Downsampling
	(Wie die erhöhte Informationsmenge gefiltert wird)

Aliasing ensteht durch Unterabtastung. Supersampling bedeutet Überabtastung und wirkt dem entgegen. Es wird mit einer höheren Abtastrate gearbeitet und eine größere Menge an Informationen erzeugt. Anschließend findet ein Downsampling, also eine Heruntertastung statt. Damit presst man die Mehrinformationen in das ursprüngliche Raster zurück, wobei ein Teil des Überschusses verloren geht.

Technisch gesprochen findet eine Tiefpass-Filterung statt. Die hohen Frequenzen gehen damit zwar verloren, doch das Ergebnis ist trotzdem besser als ohne Anti-Aliasing: Die tiefen und vor allem mittleren Frequenzen wurden viel genauer erfasst. Obwohl Downsampling zu der im vorigen Kapitel vorgestellten Anti-Aliasing-Methode natürlich dazu gehört, spricht man oft nur vom Supersampling-Verfahren selber. Nun sehen wir uns die Rückrechnung genauer an.

Eine Ausschnitts-Vergrößerung des Linien-Beispiels.

Die roten Punkte sind die Koordinaten für die bilineare Filterung. Eigentlich nutzt man diesen Filter zum Vergrößern. Doch bei dieser speziellen Anordnung sorgt er für ein optimales Downsampling. Um jeden roten Punkt befinden sich 4 Pixel. Alle sollen mit gleicher Stärke eingehen - was auf folgendes Raster hinausläuft:

Das Supersampling-Raster muss auf das normale Raster umgetastet werden. Mouseover: Das gefilterte Ergebnis. Klick: Beide Bilder zusammen.

Hier sind die Samplepositionen der Subpixel eingetragen:

Die grünen Pixel geben die Subpixel-Position an.

Das ganze nun vergrößert:

In der Mitte ein Pixel, mit hellgün dargestellen Samplepositionen, am Rand Teile von benachbarten Pixeln mit dunkelgrün dargestellten Samplepostionen.

Wie man sieht, stimmt das Subpixel-Raster mit dem Pixel-Raster von der Lage her überein. Man spricht daher auch vom geordnetem Raster, englisch ordered grid. Jedes Pixel steht für eine quadratische Fläche. Jedes Subpixel "beansprucht" davon eine Teilfläche.

Jedes Subpixel repräsentiert eine Fäche, die hier durch unterschiedliche Farben dargestellt wurde.

Unser Filter-Artikel geht in einem Kapitel auf die Auswirkungen auf die Texturen ein. Mit Supersampling wird nicht nur eine Kantenglättung erreicht, auch die Texturen sehen besser aus.

Bislang blieb der Leistungs-Aspekt allerdings ganz außer acht. Man kann sich leicht vorstellen, dass 2x2 Supersampling erheblich Perfomance kostet. Denn man muss die vierfache Pixel-Menge berechnen, und diese muss downgesampelt werden. Die schnellere 1x2-Variante filtert nur eine Achse. Bei der 1.5x1.5-Variante sieht das nun z.B. so aus:

Je nach Lage: Unterschiedliche Subpixel-Flächen.

In jedes Pixel geht ein vollständiger Subpixel ein, sowie zwei mit 1/2 Gewicht und dann noch einer mit 1/4 Gewicht. Das macht insgesamt 2.25 Subpixel. Kein Wunder, denn 1.5 x 1.5 = 2.25. Für diese krumme Zahl werden jedoch immer gleich 4 Subpixel ausgelesen, einige werden einfach mehrfach verwendet. Das Ergebnis ist eine zusätzliche Glättung, dieser Trick macht jedoch das gesamte Bild unschärfer. Die Texturen erfahren hier unter dem Strich keine zusätzliche Verbesserung. Dafür sehen die ebenfalls unscharf gemachten Kanten subjektiv besser aus.

So nahm nVidia nun seinem Erzkonkurrenten 3dfx den Wind aus den Segeln. Die hier vorgestellten Methoden, die im GeForce1 und den GeForce2 GTS Karten zum Einsatz kommen, wurde oft als "reine Software-Lösung" bezeichnet. Das ist allerdings Unsinn. Die Karte berechnet die Subpixel und sie filtert auch den vergrößerten Framebuffer wieder herunter. Das findet alles in Hardware statt (Downsampling ist entgegen den Äußerungen einiger Printmedien keine Sache der CPU). Der Nutzer kann Anti-Aliasing aktivieren, auch wenn das Spiel keine Unterstützung dafür bietet. Eine Zeit lang bot nVidia die einzigen Produkte im Endkunden-Markt an, welche Hardware-Antialiasing boten.

Dennoch, das Zeitalter der glatten Kanten brach damit nicht an. Der Qualitätsgewinn musste mit so viel Leistung bezahlt werden, dass sich dies nur in wenigen Ausnahmefällen lohnte. Besitzer der damals sehr teuren GeForce2-Karten konnten, vor allem wenn sie eine Pro- oder gar Ultra-Version hatten, jedoch die Kantenglättung aktivieren und sich gleichzeitig an schärferen Texturen bei noch spielbarer Framerate erfreuen. Um darauf hinzuweisen, dass intern einfach nur die Auflösung erhöht wird, kann man das Verfahren auch Oversampling nennen.

Supersampling-Anti-Aliasing mindert immer die effekte Füllrate. So bleiben beim 4x Supersampling nur 25% der Grafikleistung übrig. Als Gegenleistung dafür sieht das Bild besser aus.

Dann wurde - mit acht Monaten Verspätung - die neue Voodoo-Reihe vorgestellt. Obwohl die Lösung von 3dfx ebenfalls Supersampling verwendet, bietet sie dennoch deutliche Vorteile. Und diese sind einen Blick wert!