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Kantenglättung: Hardware- und Grafikeffekte Glossar

Moderne Kantenglättungsverfahren: Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt

Das menschliche Sehen spielt auch bei unserem zweiten Thema eine große Rolle: Unsere Augen sind darauf konditioniert, auf starke Kontraste und Bewegungen zu reagieren. Harte Kanten sind in der Natur außerdem quasi niemals zu beobachten. Harte Polygonkanten mit krabbelnden Pixeltreppchen irritieren unsere Augen daher, schlimmer noch: Unser Blick wird unbewusst auf solche Auffälligkeiten gelenkt. Wir schauen also genau auf die Problemstellen, die wiederum die Illusion eines glaubwürdigen Bildes zerstören.

Die erste Beschreibung dieses Nebeneffekts der Computergrafik stammt aus dem Jahre 1977, das Problem ist also ein altbekanntes. Die Kantenglättung ist außerdem seit vielen Jahren ein fester Bestandteil von PC-Spielen. Sie bekam um die Jahrtausendwende mit steigender Grafikpracht und gleichzeitig sinkender Abstraktheit der damaligen Spiele kräftigen Aufwind. Neben dem 3Dfx'schem FSAA (Full Screen AntiAliasing), welches den kompletten Bildschirminhalt glättet (vergleichbar mit dem heutigen Supersampling oder genauer OGSSAA - Ordered Grid SuperSampling AntiAliasing), verbreitete sich zu dieser Zeit die Multisampling-Kantenglättung (MSAA).

Multisampling ist prinzipiell eine intelligente und ressourcensparende Alternative zu Supersampling, denn gegenüber Letzterem werden einzig Polygonkanten geglättet, nicht der komplette Bildinhalt - was prinzipiell viel Leistung spart. Oder sparen sollte, denn bei aktueller Technik funktioniert das altehrwürdige MSAA nicht mehr wirklich.

Die letzten Tage des Multisamplings

      


43 Bilder Selbst 4K ist nicht genug: In diesem Shot nutzen wir neben SMAA das sehr ineffiziente Supersampling. Selbst 4K ist nicht genug: In diesem Shot nutzen wir neben SMAA das sehr ineffiziente Supersampling. [Quelle: PC Games]
Mit den immer komplexer werdenden Szenen, deutlich feineren Polygonstrukturen und dem starken Fokus auf Post-Processing, welches die Multisampling-Kantenglättung torpediert, ist die Effektivität von MSAA heutzutage nämlich nicht mehr gegeben. Dazu werden bei aktuellen Spielen häufig Deferred Renderer und komplexe Shader genutzt, die Szene erst nach der Berechnung der Geometrie komplett zusammengesetzt und dutzende Einzelberechnungen für die Beleuchtung ergänzt. Soll Multisampling genutzt werden, wird das zur Krux und das eigentlich aus Effizienzgründen entwickelte MSAA zum Leistungsfresser. Also: Multisampling greift aufgrund von komplexeren Berechnungen und Post-Processing-Effekten nicht mehr gut - und neben der mangelnden Effektivität lässt nun außerdem die Effizienz sehr zu wünschen übrig. Einen dicken Batzen Grafikspeicher benötigt MSAA außerdem. Das ist der Grund, weshalb Multisampling nur noch sehr selten genutzt wird und über kurz oder lang wohl aussterben wird.

Post-Processing-Antialiasing

      

Neben dem klassischen SSAA, welches effektiv glättet, aber auch die so ziemlich hemdsärmeligste und ineffizienteste Holzhammer-Methode bei der Kantenglättung darstellt - das komplette Bild wird einfach in höherer Auflösung berechnet und dann herunterskaliert (daher auch als "Downsampling" bekannt) - kommen heutzutage fast ausschließlich Post-Processing Kantenglättungen (PPAA) zum Einsatz. Der wohl bekannteste Vertreter dieser Gattung ist FXAA (Fast ApproXimate AntiAliasing). FXAA ist jedoch auch eines der frühesten und schlechtesten PP-Verfahren: Das Bild wird ausgewaschen, verliert Details und flimmert trotzdem noch stark.

Das beliebtere und meist etwas teurere SMAA (Subpixel Morphological AntiAliasing) arbeitet deutlich besser und erhält gleichzeitig eine höhere Bildschärfe. Jedoch haben beide Verfahren noch großes Verbesserungspotenzial. Um dieses zu nutzen, muss der Informationsgehalt der Daten erhöht werden, den ein Post-Processing-Antialiasing nutzen kann. Dazu gibt es mehrere Methoden, so arbeitet ein PPAA beispielsweise besser, wenn die Auflösung erhöht wird. Viel geschickter ist es jedoch, die Information aus mehreren Bildern zu nutzen - diese werden schließlich sowieso berechnet. Dieser Kniff verrät sich durch den Zusatz "temporal" im Namen der Kantenglättung, abgekürzt mit einem "T". Willkommen im Zeitalter des TAAs.

Philipps Tipp: Ganz ohne Kantenglättung macht selbst Spielen in Ultra HD weniger Spaß. Daran sind auch hochauflösende Texturen und Shader schuld. Gegen diese Art Flimmern hat MSAA technisch keine Chance und ist in 4K viel zu teuer. SSAA ist schick, aber schon in Full HD extrem leistungshungrig. Abhilfe bringen neue TAA-Verfahren.

Verschiedene Kantenglättungsverfahren in Watch Dogs 2

      

Watch Dogs 2 ist einer der wenigen Titel, die noch MSAA unterstützen. Darüber hinaus bietet der Titel FXAA, ein Temporal-SMAA sowie Nvidias TXAA.

Zuerst wollen wir mit der Vorstellung aufräumen, in Ultra HD bräuchte man keine Kantenglättung mehr. Seht euch diesen Shot einmal genauer an: Wie sämtliche Bilder in unserem Glossar wurde er in UHD-Auflösung geschossen. Bei dem großen Bild ist keine Kantenglättung aktiv, doch Pixelkanten sind selbst in dieser kleinen, unbewegten Spielszene zu identifizieren. Feine Strukturen wie Vegetation oder hochauflösende Texturen flimmern zudem in Bewegung stark (1) - ganz besonders auf großen Displays. MSAA (2) ist fast völlig hilflos gegen diese Umstände. Selbst FXAA (3) arbeitet in Teilen besser und ist in Sachen Effizienz meilenweit überlegen. TXAA (4) kombiniert das ineffiziente MSAA mit einer temporalen Komponente, kostet daher viel Leistung, ist aber nicht voll überzeugend - und obendrein Nvidia-exklusiv. Das sauberste Bild liefert das Temporal-SMAA (SMAA 2Tx), (5), obwohl dieses Verfahren schon etwas veraltet ist.


43 Bilder Verschiedene Kantenglättungsverfahren in Watch Dogs 2. Verschiedene Kantenglättungsverfahren in Watch Dogs 2. [Quelle: PC Games]


Bessere temporale Kantenglättung in Fallout 4 durch höhere Bildraten

      

Temporale Kantenglättungen haben gegenüber konventionellen Verfahren eine zusätzliche Dimension: die Zeit. Das zeigt sich bei einem genaueren Blick.

Bei einer temporalen Kantenglättung werden mehrere Frames genutzt, um die Informationsdaten, die ein solcher Shader zur Berechnung der Glättung nutzt, zu erhöhen. Das steigert sowohl die Effizienz als auch die Effektivität einer solchen Kantenglättung. Allerdings gibt es eine Kehrseite bei dem prinzipiellen Vorteil: Aufgrund der zeitlichen Verrechnung mehrerer, bei Bewegung mehr oder weniger unterschiedlicher Bilder, neigen temporale Effekte zum Verwischen alias "Ghosting". Je mehr Zeit zwischen diesen Bildern vergeht und je größer der Unterschied zwischen diesen ist, desto stärker fällt dieser Verwischeffekt potenziell aus. Sind die Unterschiede zu groß, funktioniert die Kantenglättung nicht mehr vollständig. In Bewegung zeigt sich dann Aliasing, wie wir hier anhand des TAAs in Fallout 4 demonstrieren. Hohe Bildraten um 60 Fps (1,3) gegen niedrige 20 Fps (2,4) - der Unterschied ist deutlich.


43 Bilder Bessere temporale Kantenglättung in Fallout 4 durch höhere Bildraten. Bessere temporale Kantenglättung in Fallout 4 durch höhere Bildraten. [Quelle: PC Games]



Hardware- und Grafikeffekte einfach erklärt - Zeitplan

7. Mai 2017 - Teil 1 - Umgebungsverdeckung
20. Mai 2017 - Teil 2 - Spiegelungen und Reflexionen
3. Juni 2017 - Teil 3 - Die moderne Texturdarstellung
25. Juni 2017 - Teil 4 - Depth of Field oder Tiefenschärfe
9. Juli 2017 - Teil 5 - Moderne Kantenglättungsverfahren
30. Juli 2017 - Teil 6 - Globale Beleuchtung
13. August 2017 - Teil 7 - Voxel und Voxel-basierte Grafik in Spielen
27. August 2017 - Teil 8 - Schattendarstellung in Spielen
...Viele weitere Teile folgen!

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