計算機圖形學——反走樣

2019 年 10 月 6 日
筆記

對於直線、圓形、橢圓這些最基本元素的生成速度和顯示質量的改進，在圖形處理系統中具有重要的使用價值。

但它們生成的線條具有明顯的“鋸齒形”即會發生走樣（Liasing）現象

一、走樣

產生走樣現象的原因是像素本質上的離散性，要用有限的像素點來逼近無限的直線！

走樣是數字化的必然產物！

走樣現象：
一是光柵圖行產生的階梯形（鋸齒形）；
二是圖形中包含相對微小的物體時，這些物體在靜態圖形中容易被丟棄或忽略。

小物體由於走樣而消失

在動畫序列中時隱時現，產生閃爍

矩形從左到右移動，當其覆蓋某些像素中心時，矩形被顯示出來，當沒有覆蓋像素中心時，矩形不被顯示

簡單地說，如果對一個快速變化的信號採樣頻率過低，所得樣本表示的會是低頻變化的信號；原始信號的頻率看起來被較低的“走樣”頻率所替代。

如何降低由於採樣不足而產生的走樣現象？

二、反走樣技術

用於減少或消除走樣效果的技術，稱為反走樣（Antialiasing）技術

由於圖形的走樣現象對圖形的質量有很大影響，幾乎所有圖形處理系統都要對基本圖形進行反走樣處理

硬件解決方法

採用高分辨率的光柵圖形顯示器

該反走樣方式是以4倍的存儲器代價和掃描轉換時間獲得的

為了穩定屏幕上圖像，電子槍至少要1/24秒時間轟擊屏幕所有像素一次，如果像素提高一倍，電子槍就要快4倍！

軟件解決方法

用“模糊”來產生更平滑的圖像

對於在白色背景的黑色矩形，通過在矩形邊界附近滲入一些灰色像素，可以柔化從黑到白的尖銳變化

從遠處觀察這幅圖像時，人眼能夠將這些緩和變化的暗影融合在一起，從而看到更加平滑的世界

這裡有兩種反走樣方法，非加權區域採樣方法和加權區域採樣方法。

三、非加權區域採樣方法

根據物體的覆蓋率(某個象素區域被物體覆蓋的比例)計算像素點顏色。

缺點
1、像素的亮度與相交區域的面積成正比，而與相交區域落在像素內的位置無關，這仍會導致鋸齒效應
2、直線上沿理想直線方向的相鄰兩個象素有時會有較大的灰度差；
每個像素的權值是一樣的，這是主要缺點。

四、加權區域採樣方法

這種方法更符合人視覺系統對圖像信息的處理方式，反走樣效果更好

直線段對一個象素亮度的貢獻正比於相交區域與象素中心的距離

設置相交區域面積與像素中心距離的權函數（高斯函數）反映相交面積對整個像素亮度的貢獻大小

利用權函數積分求相交區域面積，用它乘以像素可設置的最大亮度值，即可得到該像素實際顯示的亮度值。