Antialiasing

Bei Antialiasing werden Signalanteile, die das Abtasttheorem verletzen, durch Tiefpassfilterung gedämpft. Antialiasing wird eingesetzt bei:

• der Ausgabe von Text und Grafiken auf einem Computerbildschirm und
• der Digitalisierung von Analogsignalen (siehe Alias-Effekt)

Unter Antialiasing bei der Bildschirmausgabe oder Treppeneffektglättung versteht man das Beseitigen des so genannten Treppeneffekts (Aliasing), der bei der Rasterung einer Form (Linie, Kreis, Schrift u. ä.) entsteht.

Häufig wird Antialiasing auch falsch als Oversampling bezeichnet.

Erläuterung

Beim Zeichnen einer Linie auf einem Rastermedium (z.B. Bildschirm) können nur horizontale und vertikale Linien problemlos gezeichnet werden. Ist eine Linie etwas schräg, so entstehen zwangsläufig Treppenstufen. Das gleiche widerfährt auch allen runden Formen und Schriften. Je gröber die Auflösung ist, desto deutlicher wird der Effekt.

Beim Antialising berücksichtigt man nun, welche Pixel von einer Linie wie stark überschnitten werden und gibt ihnen einen entsprechend gewichteten Grauwert. Je mehr von der Pixelfläche durch die Linie abgedeckt wird, desto dunkler wird der Pixel gezeichnet.

Anwendung

Vorteile

• Eckige Kanten und harte Übergänge verschwinden.
  

  Die eigentliche Form der Linie bzw. Rundung tritt deutlicher hervor. Der Treppeneffekt wird reduziert.

Nachteile

• Verringerte Schärfe.
  

  Durch die zusätzlichen Punkte und den weicheren Übergang zum Hintergrund wird das Bild unschärfer.

• Kleine Schriften werden beschädigt.
  

  Wenn ohnehin kaum noch genügend Pixel zur Darstellung einer Schrift vorhanden sind, kann Antialiasing die Schrift soweit zerstören, dass sie unlesbar wird.

Folgerung für den Anwender

Antialiasing ist also kein Allheilmittel gegen zu geringe Auflösung, sondern kann die Folgen nur von Fall zu Fall lindern. Als Anwender muss man jeweils prüfen, ob Antialiasing das Ergebnis verbessert oder ob man diese Option lieber ausschaltet.

Antialiasing durch das Betriebssystem

Antialiasing kann auch durch das Betriebssystem durchgeführt werden, in dem die ganze Darstellung der Benutzeroberfläche mit einen Antialiasing-Algorithmus bearbeitet wird.

Dadurch kann es zu einem mehrfachen Antialiasing kommen, da viele Grafiken, Schriften und Icons bereits mit dieser Technik erstellt wurden. Bei der mehrfachen Anwendung von Antialiasing treten dann aber die oben beschriebenen Nachteile wesentlich deutlicher hervor.

Microsoft Windows XP sowie Mac OS X verwenden standardmäßig Antialiasing zur Darstellung der Benutzeroberfläche. Wer unter unscharfen Bildern oder zerstörten kleinen Schriften leidet, sollte als erstes das Antialiasing unter "Eigenschaften der Darstellung" deaktivieren.

Antialiasing bei Grafikkarten

Grundlagen

Beim Antialiasing (Abkürzung: AA) durch Grafikkarten wird nicht nur einmal in der Mitte eines Pixel geprüft wird, welchen Farbwert dieser hat, sondern mehrmals und an verschiedenen Stellen ("mehrere Samples").

Man stelle sich beispielsweise vor, ein Pixel ist zu 60% von einer Fläche bedeckt. Diese Fläche berührt die Mitte des Pixels. Der Pixel erhält nun die Farbe der Fläche, obwohl sie ihn nicht zu 100% berührt. Um ein besseres Bild zu erzeugen, muß man einen mittleren Farbwert bilden, der sich zu 60% aus der Farbe der Fläche und zu 40% aus der Hintergrundfarbe bildet.

Prüft man nun mehrmals innerhalb eines Pixels den Farbwert, kommt man dem optimalen Farbwert, mit steigender Anzahl der Samples (Prüfungen) pro Pixel, immer näher.

Verschiedene Methoden

In der Berechnung von 3D-Grafiken wird dieses Verfahren auch verwendet. Zunächst unterstützten nur sehr hochwertige und teure Grafikkarten diese Technik in Grafikschnittstellen wie OpenGL. Doch mit der Einfürung des Desktopgrafikchips VSA 100 von 3dfx, verwendet in den Grafikkarten Voodoo 4 4500, Voodoo 5 5500 und der nie offiziell erschienenen Voodoo 5 6000, wurde diese Eigenschaft auch für den normalen Anwender verfügbar. Bevor man auf das Antialiasing einzelner Grafikkarten und Firmen eingeht, sollte man die verschiedenen Techniken erklären:

Supersampling (SSAA): Supersampling ist eine Technik, bei der man das Bild in einer höheren Auflösung berechnet und dann herunterrechnet, womit Farbmittelwerte entstehen, beispielsweise: 4-faches AA. Das Bild wird in der Auflösung 800*600 angezeigt, aber in der 4-fachen Auflösung von 1600*1200 berechnet und dann auf 800*600 heruntergerechnet. Dadurch werden also indirekt 4 Samples pro Pixel berechnet. Dieses nennt man auch 2*2 Supersampling.

Der Vorteil dieser Technik ist, dass zumindest Ordered Grid (siehe unten) Supersampling nur per Treiber, d.h. eigentlich mit jeder 3D-Grafikkarte, realisierbar ist. Außerdem werden nicht nur die Kanten geglättet, sondern auch die Texturen. (Dies ist möglich, da der Filter von Grafikkarten nicht perfekt ist, allerdings kann der anisotropische Filter bei neueren Grafikkarten aktiviert werden, der ein viel besseres Bild als der sonst übliche trilineare oder gar bilineare Filter bietet. Dieser Filter ist aber auch nicht ganz perfekt und kostet auch etwas Leistung.) Der Nachteil dieser Methode ist, dass sie sehr viel Leistung verbraucht.

Multisampling (MSAA): Bei dieser Technik werden nur die Farbwerte an den Kanten mehrmals überprüft und nicht die Texturen. Das kostet weniger Leistung, muss aber durch die Hardware unterstützt werden.

Fragment Anti-Aliasing (FAA): Auch diese Technik glättet nur die Polygonkanten. (Bitte noch Informationen ergänzen) Es ist aber möglich, dass nicht die Kanten an den Polygonenschnittkanten geglättet werden. Diese Technik kostet sehr wenig Leistung, muss aber auch durch die Hardware unterstützt werden.

OrderedGrid und RotatedGrid Antialiasing (OGAA und RGAA): Bei OrderedGrid AA sind die Samples innerhalb des Pixels in geordneter Reihenfolge angeordnet, so wie der Anordnung von mehreren ganzen Pixeln auf einem Bild, wie bei dem angeführten Beispiel von Supersampling. Bei RotatedGrid sind die Samplepositionen gedreht (um eine bestimmte Gradzahl, beispielsweise: 27,5° beim VSA-100). Dies wirkt dem normalen Pixelmuster entgegen und erhöht so die interne Auflösung von innerhalb des Pixels, so dass ein qualitativ deutlich hochwertigeres AA entsteht. Beide Methoden sind bei allen drei derzeitigen Techniken möglich. Bei Supersampling wird dies mit einer Verzerrung des Pixelmusters herbeigeführt.

Nun die verwendeten Methoden bei einzelnen Grafikchips der Hersteller:

3Dfx:

VSA-100: RGSSAA, Spectre (aka Rampage, nie erschienen): RGMSAA

Voodoo 4 4500:max 2x, Voodoo 5 5000:max 4*, Voodoo 5 6000: max 8x. Max. 32x AA in speziellen Workstation-Karten.

Nvidia:

NV 10,11,15 (Geforce 1 und 2) OGSSAA.

NV 17,20,25,30,31,34,35,36,38 (Geforce3,4,FX bis 5950)

RGMSAA(bis 2x) /OGMSAA (u.a. 4x,16x) /OGSSAA (zum Beispiel 4x). SSAA und MSSAA sind kombinierbar, so z.B 2xMSAA und 2xSSAA = 4*S AA.

NV 40,41,42,43,45: (Bei Erscheinen bitte ergänzen.)

ATI:

r100,r200,rv250,rv280 (Radeon 7000,7200,7500,8500,9000,9100,9200)

OGSSAA

r300,r350,r360,rv350,rv360 (Radeon 9500,9600,9700,9800)

RGMSSAA (2x,4x und 6x)

r420,r500: (Bei Erscheinen bitte ergänzen.)

Matrox:

Parhelia: OGFAA (16x)/OGSSAA

Weblinks

• Eine hervorragende Seite mit vielen Artikeln zu Antialiasing, anisotropischen Filter und vielem mehr