Unity渲染教程——实时抗锯齿滤波

作者：司虎虎2019-03-11

在2011的SIGGRAPH上，NVIDA提出了FXAA3.1，本文主要介绍FXAA实现思路，提供部分简单实现的代码。

1.What is FXAA 3.11

•Fast approXimate Anti-Aliasing

•Two algorithms

-FXAA 3.11 Console(360 and PS3)

-FXAA 3.11 Quality(PC)

•Fixed set of constraints

o One shader pass,only color input,only color output

o Run on all APIs(GL,DX9,through DX11,etc)

o Certainly better can be done under other constraints!

FXAA全称“Fast Approximate Anti-Aliasing”,翻译成中文就是“快速近似抗锯齿”。

FXAA3.11在之前FXAA1，2的基础上做了一些改进。

•FXAA1：最早最基础的版本，也是在PC游戏中使用最广泛的，已用于《孤岛危机2》、《无主之地》。

•FXAA2：针对Xbox 360游戏机专门设计。

•FXAA3：Quality质量版本面向PC，Console主机版本则面向Xbox 360、PS3。

FXAA是一种单程像素着色器，和MLAA一样运行于目标游戏渲染管线的后期处理阶段，但不像后者那样使用DirectCompute，而只是单纯的后期处理着色器，不依赖于任何GPU计算API。正因为如此，FXAA技术对显卡没有特殊要求，完全兼容NVIDIA、AMD的不同显卡(MLAA仅支持A卡)和DX9、DX10、DX11。

2.How FXAA Working

•Early exit for pixels

取4个方向以及中间像素，对5个位置的值做滤波操作，对于范围之外进行分段线性变换。对于差异较大的像素，进行AA。

maxLuma=max(nw,ne,sw,se)

contrast=max(nw,ne,sw,se,m)-min(nw,ne,sw,se,m)

if(contrast>=max(minThreshold,maxLuma*threshold))

•extra taps

dir.x=-((NW+NE)-(SW+SE))

dir.y=((NW+SW)-(NE+SE))

dir.xy=normalize(dir.xy)*scale

使用2x2的区域，计算像素边界，做向量运算。得到dir之后归一化长度。

•Optional extra 2 taps

缩放dir.xy,扩展到8个像素

minDir=min(|dir.x|,|dir.y|)*sharpness

•Compare 4-tap filter luma to neighborhood luma

比较4个方向的luma和相邻luma的值。

//Use the min and max luma range of the original 4 samples

*{NW,NE,SW,SE}

//If 4-tap filter luma exceeds this range,

*Assume invalid and use just the first 2 taps

•效果展示

3.简单实现

我自己再Direct11的环境下，参考FXAA思路，实现了简单版本的FXAA，相比自带d3d实现的4xMSAA，效果较为不明显，仅供交流学习。

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//File:FXAA.fx

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SamplerState samLinear:register(s0);
Texture2D txFxaa:register(t0);
struct PS_INPUT
{
float4 Pos:SV_POSITION;
float4 PosProj:POSITION;
float3 Norm:NORMAL;
float4 Diffuse:COLOR0;
float2 Tex:TEXCOORD;
float3 Tangent:TANGENT;
};
float4 FxaaPS(PS_INPUT input):SV_Target
{
float4 texColor=txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex);
//FXAA 3x3取9个像素
float3 luma=float3(0.299,0.587,0.114);
//luma=float3(0.33,0.33,0.33);
float lumaTL=dot(luma,txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy+float2(-1.0,-1.0)).xyz);
float lumaTR=dot(luma,txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy+float2(1.0,-1.0)).xyz);
float lumaBL=dot(luma,txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy+float2(-1.0,1.0)).xyz);
float lumaBR=dot(luma,txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy+float2(1.0,1.0)).xyz);
float lumaM=dot(luma,txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy).xyz);
float2 dir;
dir.x=-((lumaTL+lumaTR)-(lumaBL+lumaBR));
dir.y=(lumaTL+lumaBL)-(lumaTR+lumaBR);
float FXAA_SPAN_MAX=8.0;
float direReduce=1.0/128.0;
float inverseDir=1.0/(min(abs(dir.x),abs(dir.y))+direReduce);
dir=min(float2(FXAA_SPAN_MAX,FXAA_SPAN_MAX),
max(float2(-FXAA_SPAN_MAX,-FXAA_SPAN_MAX),dir*inverseDir));
float3 res1=(1.0/2.0)*(
txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy+(dir*float2(1.0/3.0-0.5,1.0/3.0-0.5))).xyz+
txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy+(dir*float2(2.0/3.0-0.5,2.0/3.0-0.5))).xyz);
float3 res2=res1*(1.0/2.0)+(1.0/4.0)*(
txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy+(dir*float2(0.0/3.0-0.5,0.0/3.0-0.5))).xyz+
txFxaa.Sample(samLinear,input.Tex.xy+(dir*float2(3.0/3.0-0.5,3.0/3.0-0.5))).xyz);
float lumaRes=dot(luma,res2);
float lumaMin=min(lumaM,min(min(lumaTL,lumaTR),min(lumaBL,lumaBR)));
float lumaMax=max(lumaM,max(max(lumaTL,lumaTR),max(lumaBL,lumaBR)));
if(lumaRes<lumaMin||lumaRes>lumaMax)
texColor=float4(res2,1.0);
else
texColor=float4(res1,1.0);
return texColor;
}