反走样和OpenGL多重采样

1. 反走样
在计算机图形学中，在屏幕上显示对象时，可能会出现许多的“锯齿”，这些锯齿是由顶点数据像素化之后成为片段的方式所引起的，由于将数学意义上的坐标转换到物理的显示器硬件上进行显示，显示器是有一个个像素点构成的，并不能实现数学意义上的“无限小”的描述。关于产生锯齿的更详细的介绍可以参考OpenGL学习脚印：反走样初步(Anti-aliasing basic)

为了消除“锯齿”，图形工作者提出了许多抗锯齿的算法（也称为反走样[Anti-aliasing]算法），本文主要介绍OpenGL中提到的一种反走样方法——多重采样（Multisample antialiasing简称 MSAA）。接触到这一主题时，查阅了很多资料，发现网络上许多内容都大同小异，很多内容并没有参考价值。整体的思路说清楚了，但是一旦涉及到某一项技术，最难的往往是技术中的细节部分。本文记录我个人在理解MSAA时候比较困惑的点，在理解之后记录下来。

2. Supersampling
在理解MSAA之前，有必要先理解一下什么是SuperSampling （字面翻译是超采样，简称是SSAA），超采样就是加大采样的点，提供比屏幕分辨率更多的采样点。是渲染的时候按照显示器分辨率的若干倍来渲染，例如显示器1024x768，那么SSAA 4X就是4096x3072。

上图是OpenGL决定一个像素颜色采用的算法，如果红色的采样点（像素中心位置）落在三角形区域，那么这个像素就被认为属于三角形，从而会着色成为三角形的颜色。但是边缘部分的像素并没有“完全属于”三角形，那么这些像素的颜色应该是某种介于边缘多种颜色的“过渡色”比较合理一点。
SSAA的想法比较简单，就是扩大采样点，生成一些次像素级别的采样点（sub-pixel）。有点类似股份公司的感觉，把像素理解成为一家公司，那么这家公司归属谁呢？在中心区域，由于完全被三角形区域所包含，那么属于三角形没有什么争议，但是边缘部分的像素由于并没有完全被三角形占据，那么它的所有权问题就应该是多个股东决议的结果，根据大家股份占用的大小来中和最后的结果。

在像素中如何添加新的次像素级别的采样点，方法很多。不同的采样点设计方式最终对场景渲染的结果也不同。以下是一些采样点的选择方式：

得到次级像素的采样点之后，把这个场景渲染到一个更高分辨率的缓冲区A中，然后再从A缓冲区中采样出和屏幕分辨率一样的像素，像素的颜色使用A缓冲区中的像素颜色插值得到。整体的思路如下图所示：

上图中使用4个采样点，如果不使用SSAA技术，那么最终屏幕上这个像素的颜色是中心位置的黄色，使用了SSAA之后，这个像素的颜色是淡淡的棕黄色，这个颜色综合了像素中其他的颜色值计算而来的。（图示中使用的是简单的求平均值的方法，在实际中可能会有其他的算法来计算，但是整体思路还是一样的）

在SSAA方法中，有一个需要注意的地方是：所有的次级采样点和未使用SSAA中采样点的地位是一样的，假设有片元shader需要在每一个像素上运行，那么SSAA中片元shader也会在每一个次级像素上运行。理解这一点非常的关键，它是SSAA和MSAA最重要的一个区别。

SSAA的缺点：通过上面的分析可以知道SSAA需要占用更大的显存空间，它需要更大缓冲区，采用4x、8x、16x那么使用的空间是未开启SSAA的4倍，8倍和16倍。另外SSAA需要每一个shader在所有次级片元上都同样的运行一遍，这也是一笔可观的计算开销，会显著地降低FPS。

3. MSAA
有了SSAA的基础，那么理解多重采样（MSAA）就简单很多了。MSAA中增加采样的方式和SSAA是一样的，MSAA同样也需要一个分辨率更高的缓冲区（假设命名是Anti-Buffer)，但是MSAA并不是像SSAA一样把次级采样点当成类似未开启反走样中采样点同等地位来对待，它采用另一种方式。
示意图如下：

图示中两个三角形的图元都包含了像素的采样点（圆形位置），4个叉代表着该像素的4个子采样点。在开启MSAA之后的过程如下：
首先由于屏幕背景清空色是白色，那么Anti-Buffer中的每一个子采样点的颜色都设置成了白色，
假设蓝色的三角形首先绘制，由于它包含像素的采样点，因此在跑了一次shader之后，左下角的这个2个子采样点在Anti-Buffer缓冲区的值被蓝色填充，然后开始绘制黄色三角形，由于它也包含像素的采样点，因此也会跑一次shader，假设计算的结果是黄色。由于右边的采样点被它包含，因此被设置成黄色，最终这个像素对应在Anti-Buffer缓冲区中4个子采样点的颜色是白色、黄色、蓝色、蓝色。最终的颜色由这4个颜色计算平均得到。

也就是说：MSAA每一个像素上shader只运行一次，运行的结果会复制到每一个包含了子采样点的缓冲区中。而不是像SSAA那样每一个子采样点都运行一次shader。大大减少了shader的运行次数。

4. MSAA在OpenGL中的使用
网络上许多关于MSAA在OpenGL中的使用方式都没有说的很清楚，这里就介绍一下OpenGL中的MSAA。

OpenGL中有很多状态变量，默认情况下基本都是关闭的（比如光照计算、混合计算、深度测试等等），但是只有两个状态默认是开启的，MSAA就是其中之一（另一个是Dither），要使用OpenGL提供的MSAA，需要申请一个可以进行超采样的缓冲区（也就是我们上文说的Anti-Buffer），申请的方式和窗口系统有关，在GLUT中申请的方式很简单，只需要添加一个枚举值的变量GLUT_MULTISAMPLE即可：

glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_DEPTH |GLUT_RGBA | GLUT_MULTISAMPLE);

添加缓冲区之后，开启多重采样即可（默认是开启的可以不用显式设置），开启方式：glEnable(GL_MULTISAMPLE);

使用方式就是这么简单，另外在OpenGL中还有一些多重采样控制的参数需要设置，相关的API如下：

开启多重采样覆盖率的设置
在MSAA介绍部分，我们列举的例子中，说到了最后的颜色由白色、黄色、蓝色、蓝色。这4个颜色计算平均得到。这里的描述是不完全准确，OpenGL默认情况下是会直接取4个颜色的平均值，但是也可以添加更多的控制。

默认计算算法（(color1+color2+color3+...+colorn) / n），需要注意这时候color的alpha值是不参与计算的。

如果进行下面的设置，那么计算算法会改变，

4.1. glEnable(GL_SAMPLE_ALPHA_TO_COVERAGE);
设置之后alpha值参与计算

由于多重采样的实现方式很多，OpenGL也没有规定硬件应该怎么实现多重采样，都是交给硬件自身处理。因此这里我们描述一种可能的多重采样的处理过程：
当我们使用4x，8x等MSAA时，OpenGL会为每一个像素分配一个掩码值，这个掩码值的位数是由子采样的点数决定的，也就是说4x是分配4位，8x是分配8位。分配完成之后，这些位记录了一个子采样点是否被其他几何图元覆盖到了，以3中的情况为例，由于那4个采样点有3个被覆盖到了，因此那个像素中的Coverage掩码是 0 1 1 1

A B C D ————> 4个采样掩码位

0 1 1 1 ————–>覆盖掩码值

白色蓝色蓝色黄色 ——>MSAA采样缓冲区值

然后再计算平均值的时候考虑到某一个掩码是0，那么该子采样点的颜色就不参与最后的运算了。

上面说的是正常的处理过程，一旦我们设置了glEnable(GL_SAMPLE_ALPHA_TO_COVERAGE)，那么这个掩码就要开始运算了：设置之后，OpenGL会根据MSAA缓冲区中颜色值的Alpha成分，生成一个掩码值，并与这个原来的掩码进行按位与的运算。（alpha值是一个浮点数的值，怎么进行按位与的运算呢？原来OpenGL可以通过映射，将某一范围内的值映射成一个整数），生成一个新的掩码值。具体来说是：
一个fragment的Alpha值在0~1间，它对应着一个值。还是以4XMSAA为例，这个值也是xxxx的形式，Alpha为0对应了0000，alpha为1对应了1111，至于中间的值的对应关系，OpenGL是交由显卡制造商决定的——其实一般就是类似[0~0.249 -> 0000, 0.25~0.499 -> 0001, 0.5~0.749 -> 0011, 0.75~0.99-> 0111]这样（在D3D11中，就可以自定义这个值）。这个值与与coverage mask作一次逻辑按位与操作获得新的coverage mask。

4.2 glEnable(GL_SAMPLE_ALPHA_TO_ONE);
设置多重采样中每一个子采样点的颜色alpha成分是1。

4.3 . glSampleCoverage
开启自定义设置，需要2个函数调用
glEnable(GL_SAMPLE_COVERAGE)
glSampleCoverage
这里面glSampleCoverage的函数原型如下：

void glSampleCoverage(  GLclampf    value,GLboolean   invert);

第一个参数是 value，表示掩码值
第二个参数是 invert，表示是否翻转计算

第一次看到这个接口API时，发现是一个float的value值，OpenGL的spec文档中一直提到要做按位的与运算，我就一脸懵逼了，按位运算不是整型才有的运算操作吗？是不是说这个value会被cast成一个整型，既然要cast成一个整型为什么不设置参数类型就是整型呢？

事实上是这样的：这个浮点数的值会被映射成一个整型数，和之前alpha_to_coverage类似

glSampleCoverage的效果和 glEnable(GL_SAMPLE_ALPHA_TO_COVERAGE);有点类似，都是设置掩码和原来像素的coverage掩码作按位与的运算，不同之处是后者使用颜色成分的alpha值运算。而这个函数是自己指定一个值，这个值是value映射后的整型值。第二个参数invert是对这个value映射后的整型值作按位取反操作。然后再与像素的coverage掩码作运算。

以上是所有OpenGL中和MSAA反走样相关的内容。反走样是一个十分庞大的主题，读者也可以通过FBO自己实现反走样的算法，关于在FBO中作反走样，可以阅读参考资料中的内容。

5. 参考资料
1. OpenGL学习脚印：反走样初步(Anti-aliasing basic)
2. 抗锯齿
3. Supersampling
4. Multisample Anti-Aliasing
5. Rasterization Rules
6. 乱弹纪录II:Alpha To Coverage
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