Chango的数学Shader世界（十四）细线间断，发光闪烁，TAA削弱处理

目的：

减少游戏中的细线因屏幕分辨率不足和算法采样不足问题，导致的间断，以及相对的自发光闪烁。解决了此问题也附带解决了因TAA导致的细线自发光微弱的问题。

对比视频：https://www.bilibili.com/video/av67438336

参考：

无，原创。外网UE4 AnswerHub有类似问题，但无正确的解决方案。

观察：

方块的边缘线条材质，是根据UV坐标判定的材质，因视效要求，其边是完全"硬"的。也就是说，比如uv.x<0.1，自发光为90；一旦大于0.1，自发光就是0。

这样的材质，边缘线细，自发光高。

会出现如下问题：

1.一旦拉远，线开始间断：

2.一旦拉远，因TAA关系，线条开始闪烁，自发光开始闪烁；线有时变得过分细，自发光被削弱（无AA,FXAA,TAA）：

(无AA和FXAA基本一样，只是FXAA边缘更模糊，TAA显得像是没有自发光，并线条闪烁)

当我把材质自发光减少到1（无AA,FXAA,TAA）：

（无AA和FXAA基本一样，只是FXAA边缘更模糊，TAA显著改善，但线条闪烁难忍）

分析：

1.为何拉远线条间断？

你可以在任意3维软件（游戏引擎，游戏，拟真软件，GIS系统）中，由近到极远地观察细线。只要线不是完全垂直或水平，你会发现远到一定程度时，线条会先出现明显的锯齿，然后是很奇妙的带周期性的间断，最后消失（一般软件不会让你看到这么远）。

这个问题无法100%解决，处理方法也多种多样。就我最近看到的，《底特律·变人》中，采用了真实镜头景深，这样你远处的线就模糊了。（讲道理，如果我们的眼睛没有景深，岂不是也有锯齿...）

问题发生的实质：采样不足，不符合Nyquist定理

在此案例中，也就是uv采样不足，屏幕分辨率不够细+算法问题。回看文章二中采样不足后发生的奇妙的周期性波形：

是否和采样不足的间断线有些类似呢？

由于线条在视口中急剧减小，间断线的波长会稳步变大。但其因采样不足所导致的周期性是一致的。

要澄清一点，这里的线这么近就开始间断，与uv采样不足也有关系。也就是我们的Shader的那个"硬边"，加剧了采样不足。

1.1线条间断问题

下面抽象地分析发生锯齿和间断地原因。图中的方格即是1个像素。

这个锯齿和传统锯齿没啥区别，抗锯齿算法也能基本应付。当采样点实在少了，锯齿实在大了，抗锯齿算法也无能为力。

周期性间断就是锯齿的夸张大采样版。

1.2TAA导致的线条闪烁->自发光闪烁；线条削弱->自发光削弱问题

接上面线条间断，这里能看出为什么TAA的一些优劣。

因为TAA算法本质是在玩家视点微调不同的角度，采样出的像素再平均。

同一条线在屏幕上以不同的斜率被采样过，间断有可能因此减少。

但因不随机断微调视角，结果又不稳定带来的难以忍受的闪烁。

(TAA抖动原理见某乎文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/41642855)

而且有些线条因为微调视角后都采样到的主要是方块内红间，平均下来，把亮边部分的亮度给稀释了，如上图3左下角的线段。

1.3UV采样导致的线条削弱->自发光削弱

即使不用任何AA，由于原材质的硬边，也会导致线条削弱问题。

下面抽象地分析原因。假设亮边部分值为1，方块内为0。

假设当采样步长为0.01，此时的亮边处于正常状态。

当采样步长为0.03（也就是方块离我们远了，现在1个像素代表的世界长度是原来的3倍），问题开始出现了：

p1,p2,p3没问题。p4照理来说应该是“三分之一个亮边”，但因中心点采样到uv.x>0.1，判定为0个亮边。这和实际是相违背的。

这本质上还是一个锯齿问题。。。

我们怎么做？想办法让p4就等于0.3啊。

于是和抗锯齿基本的解决办法—与周围作平均（模糊边缘）一样，我们想办法让亮边函数不再是阶越函数，而是模糊的连续函数。根据具体情况，调整连续函数的参数。

根据我们上面的推导，模糊边虽然近看不符合视效要求，但远看符合真实的效果。

效果对比（无AA,TAA）：

其函数的连续性也顺带解决了TAA的抖动问题。

通过对不同距离段调整参数，获得不同的亮边函数，再根据距离判断，插值，能得到最终的解决方案。

解决方法虽然很简单，但知道在哪里画这个圈需要9999美元。

步骤：

由于我是instanced Mesh。所以不可能多个材质切换。只能在一个材质里根据距离切换函数。又发现ue4 instanced mesh中objectWSP-cameraWSP是固定的，但pixelDepth可以获得，所以根据pixelDepth切换。

我简单分了3个LOD。

LOD0是硬边函数，用于近处。

LOD1和LOD2是参数不同的软边。

其中LOD0切到LOD1和LOD1切到LOD0作了基于距离的lerp。因为0切到1距离很近（很近就开始出现锯齿了）。

而LOD1-2之间没有作lerp，因为太远看不清，没必要。

结语：