¿Qué es el suavizado? 6 tipos y métodos diferentes

Para comprender el suavizado, primero debemos comprender el concepto de alias.

Es posible que haya experimentado bordes pixelados o irregulares en su pantalla mientras mira videos o juega videojuegos. Estos "jaggies" se conocen como aliasing. Reduce la experiencia de visualización general.

Pero, ¿por qué ocurre el aliasing?

Las imágenes que se muestran en la pantalla están formadas por pequeños cuadrados conocidos como píxeles. Cada píxel, el elemento controlable más pequeño de una imagen, tiene su propia intensidad y color. Las líneas verticales y horizontales se pueden mapear con precisión en píxeles cuadrados, pero las líneas curvas o las imágenes de esquina a esquina deben ajustarse punto a punto. Cuando los píxeles a lo largo del borde están desactivados o activados, se generan bordes irregulares (alias o escalonados).

La solución obvia para evitar el alias es aumentar la resolución de la pantalla, pero no todas las personas pueden permitirse un monitor de alta gama. Es por eso que los ingenieros han desarrollado varias técnicas para reducir el impacto de las irregularidades en la pantalla. Una de estas técnicas eficaces es el suavizado.

¿Qué es el suavizado?

El suavizado es una técnica que consiste en mezclar los bordes de los píxeles con los píxeles circundantes para crear la ilusión de un borde más suave. Esto no es tan simple como parece:le está diciendo a su computadora que procese millones de píxeles en cada cuadro 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 coloca en algún punto intermedio. Por ejemplo, una línea diagonal blanca sobre un fondo negro puede tener tonos de gris oscuro y claro a lo largo de los bordes en lugar de blanco y negro.

Imagen ampliada de la línea con alias frente a la línea con suavizado

Los algoritmos de suavizado están diseñados para hacer que las imágenes digitales parezcan naturales cuando se ven desde cierta distancia. Cuando se amplía, el texto y las imágenes suavizados aparecen borrosos debido a los píxeles ajustados.

Además de la fotografía digital y los gráficos por computadora, el suavizado también se usa ampliamente en audio digital (para eliminar frecuencias no deseadas del audio muestreado). En este artículo de descripción general, nos hemos centrado en el primero.

Los jaggies no se notan en las pantallas modernas HiDPI (puntos altos por pulgada) porque tienen cuadrículas de píxeles más densas que pueden representar imágenes con mayor nitidez. Sin embargo, incluso estas pantallas de alta resolución se benefician del suavizado.

Existen diferentes tipos de técnicas anti-aliasing para hacer que la experiencia de visualización y juego sea mejor y más inmersiva. Cada uno tiene sus propios beneficios y deficiencias. Analicemos en detalle los ocho tipos más populares de suavizado.

1. Supersampling Anti-Aliasing (SSAA)

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

Proporciona una calidad de imagen excepcional pero reduce el rendimiento

También conocido como Anti-Aliasing de escena completa (FSAA), Supersaming Anti-Aliasing (SSAA) es una de las técnicas espaciales más antiguas y efectivas. Es perfecto para procesar imágenes fotorrealistas porque le da a la imagen un aspecto más suave y hace que parezca más realista.

En este método, la imagen que se muestra se procesa con una resolución mucho más alta. Se toman muestras de color del exceso de píxeles que no estaban presentes en la imagen de baja resolución y se mide el valor medio del color.

Cuando la imagen se reduce, se aplica el valor medio para eliminar las irregularidades. Esto da una imagen con muestreo reducido con transiciones mucho más suaves. La calidad de la salida depende del número de muestras de color:cuanto mayor sea el número de muestras, mayor será la calidad.

Aunque esta técnica proporciona una calidad de imagen excelente, degrada el rendimiento porque la reproducción de imágenes a alta resolución requiere muchos recursos informáticos. Es por eso que ya no se usa mucho en los juegos.

Otra desventaja de utilizar este método es que afecta negativamente a las imágenes que tienen muchas líneas verticales u horizontales. Cuando se procesan, estas líneas (que son nítidas por naturaleza) parecen suaves.

2. Anti-Aliasing multimuestra (MSAA)

Fuente de la imagen:Nvidia

Requiere relativamente menos recursos informáticos pero produce imágenes de menor calidad

El suavizado multimuestra es un caso especial de supermuestreo en el que ciertos componentes de la imagen no se supermuestrean por completo. Solo los bordes del polígono (la fuente más común de aliasing en gráficos 3D) están suavizados. Las texturas no se suavizan.

Más específicamente, cuando la CPU / GPU muestra una imagen en pantalla, hace una distinción entre dos componentes diferentes:un polígono y una textura. La CPU / GPU primero dibuja la forma general o el contorno de un objeto (polígono) y luego lo llena con una textura. MSAA solo ajusta las irregularidades del polígono, dejando las texturas como están.

Dado que MSAA no procesa todas las partes de la imagen final, es más eficiente y requiere menos recursos computacionales que SSAA. Sin embargo, produce imágenes de calidad relativamente inferior y no admite transparencias.

3 y 4. Antialiasing de muestreo de cobertura (CSAA) y suavizado de calidad mejorada (EQAA)

MSAA (izquierda) frente a CSAA (derecha) [resolución de borde más ajustada en CSAA]

Ambos brindan mejor calidad al tiempo que presentan solo un impacto mínimo en el rendimiento

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

En ambos métodos, GPU identifica el polígono en la imagen y calcula qué regiones del polígono probablemente tengan irregularidades. Luego, supermuestra solo esos píxeles.

Dado que no se procesa toda la imagen, la GPU requiere una potencia de procesamiento sustancialmente menor para ejecutarse. Además, tanto CSAA como EQAA no requieren muestras adicionales de color / profundidad / esténcil. Por lo tanto, consumen la misma memoria de video que MSAA (en modo equivalente).

5 y 6. Anti-Aliasing morfológico (MLAA) y Anti-Aliasing rápido aproximado (FXAA)

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

Rápido, requiere menos recursos informáticos pero no es adecuado para imágenes con texturas detalladas

NVIDIA y AMD han desarrollado dos técnicas de anti-aliasing posteriores al proceso conocidas como anti-aliasing rápido aproximado y anti-aliasing morfológico, respectivamente. Ambos funcionan de la misma manera:el píxel se difumina después de renderizado.

En los métodos de suavizado de postproceso, la GPU compara el contraste de color entre dos píxeles adyacentes para determinar dónde está el borde de un polígono. Los píxeles con color e intensidad similares suelen formar parte del mismo polígono. Una vez que se detecta el borde, la GPU desenfoca los píxeles en proporción a su contraste.

A diferencia de MSAA, que no funciona para renderizado diferido, MLAA y FXAA pueden detectar con precisión bordes en la imagen y luego localizar patrones específicos en estos. Ambos son muy rápidos y requieren menos recursos computacionales que el método espacial. Se ha demostrado que "difuminar" es efectivo, ya que elimina el marcado contraste entre los píxeles alineados de forma extraña que causan irregularidades. Sin embargo, la borrosidad se puede notar fácilmente en imágenes que tienen características de iluminación dinámica y texturas detalladas.

7. Anti-aliasing morfológico de subpíxeles mejorado (SMAA)

Ejemplo de SMAA 4x integrado en el juego Crysis 2

Combina métodos de suavizado de líneas espaciales y posteriores al proceso

Esta técnica de anti-aliasing de post-procesamiento combina anti-aliasing morfológico (MLAA) con estrategias adicionales de multi / supermuestreo (MSAA, SSAA) para características precisas de subpixeles.

SMAA produce una mejor calidad de imagen mientras mantiene tiempos de ejecución excepcionalmente rápidos. Más específicamente, ofrece gradientes muy precisos y estabilidad temporal al tiempo que introduce una sobrecarga mínima. Esto lo convierte en una opción preferida para configuraciones de gama baja.

8. Suavizado temporal (TXAA)

Proporciona una mejor calidad de imagen que FXAA o MLAA, pero requiere muchos más recursos informáticos

Este método complejo utiliza tanto el desenfoque como el supermuestreo para crear gráficos nítidos y movimientos elegantes. En otras palabras, tiene como objetivo mantener un nivel de movimiento uniforme en un entorno virtual.

En los últimos años, los investigadores han desarrollado Adaptive Temporal Anti-aliasing (ATAA), que se ocupa de las deficiencias de TXAA. Por ejemplo, elimina los artefactos borrosos y fantasma sin introducir un impacto significativo en el rendimiento. Los resultados de ATAA están cerca de lo que podría proporcionar el supermuestreo 16x.

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¿Qué método de suavizado debería utilizar?

Si tiene un buen conocimiento del hardware que está utilizando y sabe qué tipo de rendimiento desea de su máquina, entonces sería más fácil decidir qué técnica de suavizado es mejor para usted.

Las siguientes preguntas lo ayudarán a tomar la decisión correcta:

• ¿Cuáles son sus especificaciones de GPU?
• ¿Qué tan pesados ​​o exigentes gráficamente son sus juegos?
• ¿Qué características gráficas desea que sean perfectas y cuáles no le interesan?

Si tiene un equipo de juego potente / de alto nivel, debe optar por SSAA, MSAA y TXAA. Si tiene una CPU / GPU de potencia moderada, puede seleccionar MSAA, FXAA o MLAA. Y si tiene hardware de juegos de nivel inferior, que no puede soportar altas velocidades de cuadro y es propenso a sobrecalentarse, debería preferir CSAA o SMAA.

También puede experimentar con la configuración de sus gráficos para averiguar qué es capaz de manejar su CPU / GPU. Hay docenas de parámetros para modificar, como la resolución, la calidad de la sombra, el campo de visión, la distancia de visión, la textura y el filtrado anisotrópico.

Es recomendable comenzar con la configuración más baja posible y luego pasar a niveles más altos y detallados. Aunque es una tarea bastante tediosa, es la forma más sencilla de averiguar cómo puede obtener la mejor experiencia de juego en su máquina.

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

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Sigue siendo una buena idea adquirir conocimientos sobre los diferentes tipos de suavizado para que pueda tomar decisiones informadas sobre cómo equilibrar las imágenes y el rendimiento de su próximo escritorio. La información también sería útil si alguna vez decides editar videos profesionales o desarrollar tu propio juego.