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アンチエイリアスとは?厳選6手法をご紹介します

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本記事は、What Is Anti-Aliasing? 6 Different Types & Methods
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約6分38秒

アンチエイリアスを理解するには、まずエイリアスの概念を理解する必要があります。

 

ビデオを見たり、ビデオゲームで遊んでいるときに、画面上でエッジがピクセル化またはギザギザになっていることがあります。これらのジャギー(ギザギザ)はエイリアスとして知られており、全体的な視聴体験を低下させるものです。

 

エイリアスはなぜ発生するのでしょうか?

 

画面に表示される画像は、ピクセルと呼ばれる小さな正方形で構成されています。画像の制御可能な最小要素である各ピクセルには、独自の強度と色があります。垂直線と水平線は正方形のピクセルに正確にマッピングできますが、曲線または隅から隅までの画像は点同士で調整する必要があります。エッジに沿ったピクセルがオフまたはオンになっている場合、エッジがジャギー(エイリアスまたは階段状)になります。

 

エイリアスを回避するための明白な解決策は、画面の解像度を上げることですが、だれもがハイエンドモニターを購入できるわけではありません。そのため、画面へのジャギーの影響を減らすための手法が開発されました。効果的な手法の1つは、アンチエイリアスです。

 

アンチエイリアスとは何か?

アンチエイリアスは、ピクセルのエッジを周囲のピクセルとブレンドして、エッジが滑らかだと錯覚させる手法です。フレームごとに数百万ピクセルを処理し、エッジを滑らかにするようにコンピューターに指示しているのですから、単純ではありません。

 

CPU /GPUは、すべてのエッジに沿って色を調整することでエッジを滑らかにします。ピクセルをオンまたはオフにする代わりに、プロセッサはピクセルをその間のどこかに配置します。たとえば、黒い背景に白の対角線がある場合、白黒ではなく、エッジに沿って濃い灰色と薄い灰色の濃淡が表示されるかもしれません。

 

エイリアス化した線とアンチエイリアス処理された線の拡大画像

 

アンチエイリアスのアルゴリズムは、特定の距離から見たときにデジタル画像が自然に見えるように設計されています。拡大すると、アンチエイリアス処理されたテキストと画像は、調整されたピクセルのためにぼやけて表示されます。

 

デジタル写真やコンピュータグラフィックスに加えて、アンチエイリアスはサンプリングされた音声から不要な周波数を除去するためデジタル音声でも広く使用されています。この概要記事では、前者に焦点を当てています。

 

ジャギーは、画像をより鮮明に表現できる高密度のピクセルグリッドを備えているため、1インチあたりのドット数が多い最新のHiDPI画面では目立ちません。ただし、これらの高解像度の画面でさえ、アンチエイリアスの恩恵を受けます。

 

表示とゲーム体験を向上し、没入感のあるものにするために、さまざまなタイプのアンチエイリアス手法が存在します。それぞれに長所と短所があります。ここでは、最も人気のある8種類のアンチエイリアスについて詳しく説明します。

 

1.スーパーサンプリング アンチエイリアス(SSAA)

 

SSAAを適用する前(左)と後(右)

 

並外れた画質を提供しますが、パフォーマンスは低下します。

 

フルシーンアンチエイリアス(FSAA)とも呼ばれる、スーパーサミング アンチエイリアス(SSAA)は、最も古く、効果的な空間手法の1つです。画像の外観を柔らかくし、よりリアルに見せるため、フォトリアリスティックな画像の処理に最適です。

 

この方法では、表示されている画像は非常に高い解像度でレンダリングされます。低解像度の画像には存在しなかった余分なピクセルからカラーサンプルが取得され、色平均値が測定されます。

 

画像が縮小されると、平均値が適用されてジャギーが除去されます。これにより、トランジションがはるかに滑らかなダウンサンプリングされた画像が得られます。出力品質は、カラーサンプルの数によって異なります。サンプルの数が多いほど、品質は高くなります。

 

この手法は優れた画質を提供しますが、高解像度で画像をレンダリングすると多くの計算リソースが必要になるため、パフォーマンスが低下します。ゲームで広く使用されなくなったのはこれが理由です。

 

この方法を使用することのもう1つの欠点は、垂直線または水平線が多い画像に悪影響を与えることです。この手法による処理後、本来は鋭い線が柔らかく見えるようになります。

 

2.マルチサンプル アンチエイリアス(MSAA)

 

画像提供:Nvidia

 

必要な計算リソースは比較的少なくなりますが、生成される画像の品質は低下します。

 

マルチサンプル アンチエイリアスは、画像の特定のコンポーネントが完全にスーパーサンプリングされないスーパーサンプリングの特殊ケースです。ポリゴンのエッジ(3Dグラフィックスで最も一般的なエイリアシングのソース)のみがアンチエイリアス処理され、テクスチャは滑らかになりません。

 

より具体的には、CPU/GPUが画面の画像をレンダリングするとき、ポリゴンとテクスチャの2つの異なるコンポーネントを区別します。 CPU/GPUは、最初にオブジェクト(ポリゴン)の一般的な形状または輪郭を描画し、次にテクスチャで塗りつぶします。 MSAAはポリゴンのジャギーのみを調整し、テクスチャはそのままにします。

 

MSAAは最終画像のすべての部分を処理するわけではないため、SSAAよりも効率的で、必要な計算リソースも小さいですが、比較的低品質の画像が生成され、透過性は処理できません。

 

3&4 カバレッジ サンプリング アンチエイリアス(CSAA)と高品質アンチエイリアス(EQAA)

 

MSAA(左)とCSAA(右) [CSAAでのよりタイトなエッジ解像度]

 

どちらも、パフォーマンスへの影響を最小限に抑えつつ、高品質を提供します。

 

GPUメーカーのAMDとNVIDIAは、独自の空間アンチエイリアス手法を開発しました。 NVIDIAはCSAAを、AMDはEQAAを開発しました。名前は異なりますが、機能は同じです。

 

どちらの方法でも、GPUは画像内のポリゴンを識別し、ポリゴンのどの領域にジャギーがある可能性が高いかを計算します。次に、それらのピクセルのみをスーパーサンプリングします。

 

画像全体を処理するわけではないため、GPUの実行に必要な処理能力は大幅に少なくなります。さらに、CSAAとEQAAはどちらも、追加の色/深度/ステンシルサンプルを必要としません。したがって、それらはMSAAは同等のモードででは、同じビデオメモリを消費します。

 

5&6 形態学的アンチエイリアス(MLAA)と高速近似アンチエイリアス(FXAA)

 

FXAA手法の実装(左から右、上から下への段階的なプロセス)|提供:NVIDIA

 

高速で必要な計算リソースは少ないですが、詳細なテクスチャの画像には適していません。

 

NVIDIAとAMDは、それぞれ高速近似アンチエイリアスと形態学的アンチエイリアスとして知られる後処理アンチエイリアス技術を開発しました。どちらも同じように機能し、ピクセルはレンダリング後にぼやけます。

 

後処理アンチエイリアス手法では、GPUは2つの隣接するピクセル間の色のコントラストを比較して、ポリゴンのエッジがどこにあるかを判断します。色と強度が似ているピクセルは、通常、同じポリゴンの一部です。エッジが検出されると、GPUはコントラストに比例してピクセルをぼかします。

 

遅延レンダリングでは機能しないMSAAとは異なり、MLAAとFXAAは画像内の境界線を正確に検出し、パターンを特定できます。どちらも非常に高速で、空間法よりも必要な計算リソースが少なくて済みます。 「ぼかし」は、ジャギーの原因となる不規則に整列したピクセル間のはっきりとしたコントラストを取り除くため、効果的であることが証明されています。ただし、ダイナミックで稲妻のような特徴と詳細なテクスチャを備えた写真では、ぼやけが簡単にわかります。

 

7.エンハンスド・サブピクセル・モーフォロジカル・アンチエイリアス(SMAA)

 

Crysis2ゲームに統合されたSMAA4xの例

 

空間アンチエイリアス手法と後処理アンチエイリアス手法の両方の組み合わせ

 

この後処理アンチエイリアス手法は、形態学的アンチエイリアシンス(MLAA)と追加のマルチ/スーパーサンプリング(MSAA、SSAA)を正確なサブピクセル処理のために組み合わせたものです。

 

SMAAは、非常に高速な実行時間を維持しながら、より優れた画質を実現します。具体的には、最小限のオーバーヘッドで、非常に正確な勾配と時間的安定性を提供します。これにより、ローエンド構成に適した選択肢になります。

 

8. 時間的アンチエイリアス(TXAA)

 

 

FXAAやMLAAよりも優れた画質を提供しますが、より多くの計算リソースが必要です。

 

この複雑な方法では、ぼかしとスーパーサンプリングの両方を利用して、鮮明なグラフィックと優雅な動きを構築します。つまり、仮想環境でスムーズな動きを維持することを目的としています。

 

近年、研究者はTXAAの欠点に対処する適応型時間アンチエイリアス(ATAA)を開発しました。たとえば、パフォーマンスに大きな影響を与えることなく、ぼやけやゴーストのアーティファクトを排除します。 ATAAの出力は、16倍のスーパーサンプリングの処理に近いものです。

 

どのアンチエイリアス技法を使用すべきか?

使用中のハードウェアに十分な理解があり、マシンにどのようなパフォーマンスが必要かをわかっている場合は、どのアンチエイリアス手法が最適かを判断するのは簡単です。正しい決定のために、次の質問が役に立つでしょう。

 

・GPUの仕様は?

・ゲームの重さはどれくらいですか、グラフィック的に厳しいですか?

・こだわりのあるグラフィック機能と、気にならないグラフィック機能はどれですか。

 

強力でハイエンドなゲーム機器をお持ちの場合は、SSAA、MSAA、TXAAをお勧めします。適度なパワーのCPU / GPUを使用している場合は、MSAA、FXAA、またはMLAAが選択可能です。高フレームレートを処理できず、過熱しやすいローエンドのハードウェアを使用している場合は、CSAAまたはSMAAを選択する必要があります。

 

グラフィック設定を試して、CPU/GPUの設定を調整することも可能です。解像度、影の品質、視野、視野距離、テクスチャ、異方性フィルタリングなど、微調整するパラメータは数十あります。

 

可能な限り簡単な設定から始めて、高度で詳細な設定に移ることをお勧めします。非常に面倒な作業ですが、お手持ちのマシンで最高のゲーム体験ができる方法を理解するための最も簡単な方法です。

 

ただし、GPUと表示技術の最近の進歩を考えると、アンチエイリアスについて心配する価値は本当はありません。実際、最新のビデオゲームや超高解像度の画像はアンチエイリアスをまったく必要としません。

 

次に購入するPCの画質と性能のバランスについて情報に基づいて決定できるように、いろいろなアンチエイリアスに関する知識を得るのは良い方法です。この情報は、プロレベルの動画を編集したり、独自でゲームを開発したりする場合にも役立ちます。

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