Entendiendo el Antialiasing: 6 Tipos y Métodos para Suavizar Imágenes Digitales

Para entender el antialiasing, primero necesitamos comprender el concepto de aliasing.

Probablemente hayas experimentado bordes pixelados o dentados en tu pantalla al ver vídeos o jugar. Estos "dientes de sierra" se conocen como aliasing. Reducen la experiencia visual global.

¿Pero por qué ocurre el aliasing?

Las imágenes en pantalla están compuestas por pequeños cuadrados llamados píxeles. Cada píxel, el elemento controlable más pequeño de una imagen, tiene su propia intensidad y color. Las líneas verticales y horizontales pueden mapearse precisamente en píxeles cuadrados, pero las líneas curvas o imágenes esquina a esquina deben ajustarse punto a punto. Cuando los píxeles a lo largo del borde están encendidos o apagados, resulta en bordes dentados (aliasing o escalonado).

La solución obvia para evitar el aliasing es aumentar la resolución de pantalla, pero no todos pueden permitirse un monitor de alta gama. Por eso los ingenieros han desarrollado varias técnicas para reducir el impacto de los dientes de sierra. Una de estas técnicas efectivas es el antialiasing.

¿Qué es el Antialiasing?

El antialiasing es una técnica que mezcla los bordes de los píxeles con los píxeles circundantes para crear la ilusión de un borde más suave. No es tan simple como suena: le estás diciendo a tu ordenador que procese millones de píxeles por fotograma y suavice los bordes.

La CPU/GPU suaviza los bordes ajustando los colores a lo largo de todos los bordes. En lugar de encender o apagar el píxel, el procesador lo sitúa en un punto intermedio. Por ejemplo, una línea diagonal blanca sobre fondo negro podría tener tonos de gris claro y oscuro a lo largo de los bordes en lugar de blanco y negro puros.

Imagen con zoom de línea con aliasing vs. antialiasing

Los algoritmos de antialiasing están diseñados para que las imágenes digitales se vean naturales cuando se ven desde cierta distancia. Al hacer zoom, el texto e imágenes con antialiasing aparecen borrosos debido a los píxeles ajustados.

Además de fotografía digital y gráficos por computadora, el antialiasing también se usa ampliamente en audio digital (para eliminar frecuencias no deseadas de audio muestreado). En este artículo nos centramos en lo primero.

Los dientes de sierra no son perceptibles en pantallas HiDPI (alta densidad de puntos por pulgada) modernas porque tienen rejillas de píxeles más densas que representan imágenes más nítidamente. Sin embargo, incluso estas pantallas de alta resolución se benefician del antialiasing.

Existen diferentes tipos de técnicas de antialiasing para mejorar la experiencia visual y de juego. Cada una tiene sus propios beneficios e inconvenientes. Analicemos en detalle los ocho tipos más populares.

1. Supermuestreo Antialiasing (SSAA)

Antes (izquierda) y después (derecha) de aplicar SSAA

Proporciona calidad de imagen excepcional pero reduce el rendimiento

También conocido como Antialiasing de Escena Completa (FSAA), el Supermuestreo Antialiasing (SSAA) es una de las técnicas espaciales más antiguas y efectivas. Es perfecto para procesar imágenes fotorrealistas porque da apariencias más suaves y hace que se vean más realistas.

En este método, la imagen se renderiza a una resolución mucho mayor. Se toman muestras de color de los píxeles extra que no estaban en la imagen de baja resolución, y se mide el valor de color promedio.

Cuando la imagen se reduce, se aplica el valor promedio para eliminar los dientes de sierra. Esto da una imagen reducida con transiciones mucho más suaves. La calidad depende del número de muestras de color: más muestras, mayor calidad.

Aunque esta técnica proporciona excelente calidad, degrada el rendimiento porque renderizar a alta resolución consume muchos recursos computacionales. Por eso no se usa mucho en gaming actualmente.

Otro inconveniente es que afecta negativamente a imágenes con muchas líneas verticales u horizontales. Al procesarse, estas líneas (que son nítidas por naturaleza) aparecen suaves.

2. Multimuestreo Antialiasing (MSAA)

Fuente: Nvidia

Requiere menos recursos computacionales pero produce imágenes de menor calidad

El multimuestreo es un caso especial de supermuestreo donde ciertos componentes de la imagen no se supermuestream completamente. Solo los bordes del polígono (la fuente más común de aliasing en gráficos 3D) reciben antialiasing. Las texturas no se suavizan.

Más específicamente, cuando la CPU/GPU renderiza una imagen, distingue entre dos componentes: un polígono y una textura. Primero dibuja la forma general u outline de un objeto (polígono) y luego lo rellena con una textura. MSAA solo ajusta los dientes de sierra en el polígono, dejando las texturas intactas.

Como MSAA no procesa todas las partes de la imagen final, es más eficiente y requiere menos recursos que SSAA. Sin embargo, produce imágenes de calidad relativamente menor y no puede manejar transparencias.

3 y 4. Muestreo de Cobertura Antialiasing (CSAA) y Antialiasing de Calidad Mejorada (EQAA)

MSAA (izquierda) vs. CSAA (derecha) [resolución de borde más ajustada en CSAA]

Ambos proporcionan mejor calidad con un impacto mínimo en el rendimiento

Los fabricantes de GPU AMD y NVIDIA han desarrollado sus propios métodos de antialiasing espacial. NVIDIA creó CSAA, y AMD creó EQAA. Aunque tienen nombres diferentes, funcionan de manera similar.

En ambos métodos, la GPU identifica el polígono en la imagen y calcula qué regiones del polígono probablemente tendrán dientes de sierra. Luego supermuestrea solo esos píxeles.

Como no se procesa toda la imagen, la GPU usa sustancialmente menos potencia de procesamiento. Además, ni CSAA ni EQAA requieren muestras adicionales de color/profundidad/stencil. Así consumen la misma memoria de vídeo que MSAA (en modo equivalente).

5 y 6. Antialiasing Morfológico (MLAA) y Antialiasing Aproximado Rápido (FXAA)

Implementación del método FXAA (proceso paso a paso de izquierda a derecha, arriba a abajo) | Crédito: NVIDIA

Rápido, requiere pocos recursos pero no apto para imágenes con texturas detalladas

NVIDIA y AMD han desarrollado dos técnicas de antialiasing de post-proceso: antialiasing aproximado rápido y antialiasing morfológico. Ambas funcionan igual: el píxel se difumina tras renderizarse.

En métodos de post-proceso, la GPU compara el contraste de color entre dos píxeles adyacentes para determinar dónde está el borde de un polígono. Píxeles con color e intensidad similares suelen ser parte del mismo polígono. Una vez detectado el borde, la GPU difumina los píxeles en proporción a su contraste.

A diferencia de MSAA, que no funciona para renderizado diferido, MLAA y FXAA pueden detectar bordes con precisión y localizar patrones específicos. Ambos son muy rápidos y requieren menos recursos que los métodos espaciales. El "difuminado" ha demostrado ser efectivo, eliminando el contraste marcado entre píxeles mal alineados que causan dientes de sierra. Sin embargo, el borroso se nota fácilmente en imágenes con iluminación dinámica y texturas detalladas.

7. Antialiasing Morfológico Subpíxel Mejorado (SMAA)

Ejemplo de SMAA 4x integrado en Crysis 2

Combina métodos de antialiasing espacial y de post-proceso

Esta técnica de post-procesado combina antialiasing morfológico (MLAA) con estrategias adicionales de multi/supermuestreo (MSAA, SSAA) para características precisas de subpíxel.

SMAA ofrece mejor calidad de imagen manteniendo tiempos de ejecución excepcionalmente rápidos. Más específicamente, entrega gradientes muy precisos y estabilidad temporal con sobrecarga mínima. Esto lo hace una opción preferida para configuraciones de gama baja.

8. Antialiasing Temporal (TXAA)

Proporciona mejor calidad que FXAA o MLAA pero requiere muchos más recursos computacionales

Este método complejo usa tanto difuminado como supermuestreo para construir gráficos nítidos y movimientos gráciles. En otras palabras, busca mantener un nivel suave de movimiento en un entorno virtual.

En años recientes, investigadores han desarrollado Antialiasing Temporal Adaptativo (ATAA), que aborda las deficiencias de TXAA. Por ejemplo, elimina el difuminado y artefactos de ghosting sin introducir un impacto significativo en el rendimiento. Los resultados de ATAA se acercan a lo que podría proporcionar un supermuestreo de 16x.

¿Qué Método de Antialiasing Deberías Usar?

Si entiendes bien el hardware que usas y sabes qué rendimiento quieres, será más fácil decidir qué técnica es mejor para ti.

Las siguientes preguntas te ayudarán a decidir:

• ¿Cuáles son las especificaciones de tu GPU?
• ¿Qué tan pesados o demandantes gráficamente son tus juegos?
• ¿Qué características gráficas quieres que sean perfectas y cuáles no te importan?

Si tienes equipo gaming potente/de gama alta, deberías optar por SSAA, MSAA y TXAA. Si tienes CPU/GPU de potencia media, puedes seleccionar MSAA, FXAA o MLAA. Y si tienes hardware de gama baja, que no maneja altas tasas de fotogramas y tiende a sobrecalentarse, deberías preferir CSAA o SMAA.

También puedes experimentar con la configuración gráfica para descubrir qué puede manejar tu CPU/GPU. Hay docenas de parámetros para ajustar: resolución, calidad de sombras, campo de visión, distancia de vista, texturas y filtrado anisotrópico.

Es recomendable empezar con la configuración más baja posible y luego subir a niveles más detallados. Aunque es una tarea tediosa, es la forma más simple de averiguar cómo obtener la mejor experiencia de juego en tu máquina.

Sin embargo, considerando los avances recientes en unidades de procesamiento gráfico y tecnología de pantallas, realmente no vale la pena preocuparse por el antialiasing. De hecho, los videojuegos más nuevos e imágenes de ultra-alta resolución no requieren antialiasing en absoluto.

Aun así, es buena idea conocer los diferentes tipos de antialiasing para tomar decisiones informadas equilibrando visuales y rendimiento en tu próximo escritorio. La información también sería útil si decides editar vídeos profesionales o desarrollar tu propio juego.