【URP】Unity[抗鋸齒]原理實現與對比

歷史發展節點 ?2001年?：MSAA成為DirectX 8標準配置，通過硬件多采樣解決幾何鋸齒 ?2009年?：NVIDIA推出FXAA，開創后處理抗鋸齒時代 ?2011年?：SMAA 1.0發布，

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

歷史發展節點

?2001年?：MSAA成為DirectX 8標準配置，通過硬件多采樣解決幾何鋸齒
?2009年?：NVIDIA推出FXAA，開創后處理抗鋸齒時代
?2011年?：SMAA 1.0發布，平衡性能與畫質
?2014年?：TAA開始普及，解決動態場景抗鋸齒問題
?2017年?：Unity URP集成全系列抗鋸齒方案

抗鋸齒技術實現原理

快速近似抗鋸齒(FXAA)

通過全屏后處理檢測邊緣像素并進行顏色混合，采用亮度對比度閾值識別鋸齒區域，使用低通濾波器平滑邊緣。其核心是犧牲少量銳度換取性能優勢，處理過程完全在像素空間進行，不依賴幾何信息。

?實現原理?：

通過全屏后處理檢測像素間亮度差異（如RGB通道對比度），對超過閾值的邊緣區域進行低通濾波混合。例如，當檢測到斜線邊緣時，會模糊相鄰像素以消除階梯狀鋸齒?。

核心流程?：

亮度計算：使用RGB轉亮度公式luma = dot(rgb, float3(0.299, 0.587, 0.114)) 采用ITU-R BT.709標準權重.
邊緣檢測：對比3x3區域內像素亮度差，超過閾值則標記為邊緣
方向判定：計算水平/垂直亮度梯度，確定邊緣走向（NW-SE或NE-SW）
混合執行：沿邊緣方向進行5-tap濾波，加權平均相鄰像素顏色

FXAA.shader

關鍵參數說明
- ?亮度計算?：采用0.2126729, 0.7151522, 0.0721750權重符合sRGB標準
- ?邊緣閾值?：edgeThresholdMin防止過度處理平滑區域，edgeThreshold動態適應高亮度區域
- ?方向判定?：通過水平和垂直方向的二階差分確定主邊緣方向
- ?子像素混合?：subpixelBlend控制亞像素級混合強度，改善細線表現
URP集成要點
- 通過RenderFeature添加到URP渲染管線
- 需在相機設置中禁用MSAA/TAA等沖突抗鋸齒
- 紋理采樣使用URP標準的SAMPLE_TEXTURE2D宏

Shader "Hidden/Universal Render Pipeline/FXAA"
{
    HLSLINCLUDE
    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

    TEXTURE2D(_MainTex);
    SAMPLER(sampler_MainTex);
    float4 _MainTex_TexelSize;

    // ITU-R BT.709亮度系數
    float Luminance(float3 rgb)
    {
        return dot(rgb, float3(0.2126729, 0.7151522, 0.0721750));
    }

    // 邊緣檢測結構體
    struct EdgeData {
        float m, n, e, s, w;
        float highest, lowest, contrast;
    };

    EdgeData SampleLumaNeighborhood(float2 uv)
    {
        EdgeData ed;
        float2 offset = _MainTex_TexelSize.xy;

        ed.m = Luminance(SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv).rgb);
        ed.n = Luminance(SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv + float2(0,  offset.y)).rgb);
        ed.e = Luminance(SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv + float2(offset.x, 0)).rgb);
        ed.s = Luminance(SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv - float2(0,  offset.y)).rgb);
        ed.w = Luminance(SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv - float2(offset.x, 0)).rgb);

        ed.highest = max(max(max(max(ed.n, ed.e), ed.s), ed.w), ed.m);
        ed.lowest = min(min(min(min(ed.n, ed.e), ed.s), ed.w), ed.m);
        ed.contrast = ed.highest - ed.lowest;
        return ed;
    }

    float4 FXAA_Pass(float2 uv)
    {
        // 參數配置
        float edgeThresholdMin = 0.03125;
        float edgeThreshold = 0.125;
        float subpixelBlend = 0.75;

        EdgeData ed = SampleLumaNeighborhood(uv);

        // 邊緣檢測條件
        if(ed.contrast < max(edgeThresholdMin, ed.highest * edgeThreshold))
            return SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv);

        // 計算混合方向
        float horizontal = abs(ed.n + ed.s - 2.0 * ed.m) * 2.0 + 
                          abs(ed.e + ed.w - 2.0 * ed.m);
        float vertical = abs(ed.e + ed.w - 2.0 * ed.m) * 2.0 + 
                        abs(ed.n + ed.s - 2.0 * ed.m);

        bool isHorizontal = horizontal >= vertical;

        // 邊緣端點檢測
        float2 edgeDir = isHorizontal ? 
            float2(0, _MainTex_TexelSize.y) : 
            float2(_MainTex_TexelSize.x, 0);

        // 5-tap混合
        float3 rgbA = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv - edgeDir * 0.5).rgb;
        float3 rgbB = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv + edgeDir * 0.5).rgb;
        float3 rgbC = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv - edgeDir).rgb;
        float3 rgbD = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv + edgeDir).rgb;

        // 加權混合
        float blendFactor = 0.5 * (Luminance(rgbA) + Luminance(rgbB)) - Luminance(ed.m);
        blendFactor = saturate(blendFactor / ed.contrast) * subpixelBlend;

        float3 finalColor = lerp(
            lerp(rgbC, rgbD, 0.5),
            lerp(rgbA, rgbB, 0.5),
            blendFactor
        );

        return float4(finalColor, 1.0);
    }

    ENDHLSL

    SubShader
    {
        Pass
        {
            Name "FXAA"
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag

            struct Attributes {
                float4 positionOS : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct Varyings {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            Varyings Vert(Attributes input)
            {
                Varyings output;
                output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
                output.uv = input.uv;
                return output;
            }

            float4 Frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                return FXAA_Pass(input.uv);
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

?優勢?：

性能消耗最低（僅需1次全屏采樣）
兼容所有GPU架構?

劣勢?：

導致畫面整體模糊（尤其影響高光區域）
無法處理時間性鋸齒（如動態物體）?

限制?：

不適用于HDRP的延遲渲染管線?

子像素形態抗鋸齒(SMAA)

分三階段實現：邊緣檢測（基于顏色/深度差）、權重計算（分析邊緣模式）、混合執行（沿邊緣方向插值）。相比FXAA能保留更多高頻細節，通過形態學處理識別像素級邊緣走向。

核心原理流程

?邊緣檢測階段?：使用Sobel算子分析像素亮度梯度，生成邊緣紋理（分為水平和垂直邊緣）
?權重計算階段?：通過AreaTex和SearchTex分析邊緣形態（L形/T形/對角線），計算混合權重
?混合執行階段?：根據權重對邊緣像素進行雙線性插值混合，保留高頻細節

SMAA.hlsl

關鍵實現解析
- ?三階段架構?：需創建三個獨立Pass分別對應邊緣檢測、權重計算和混合階段
- ?紋理資源?：依賴預計算的AreaTex（存儲混合模式）和SearchTex（存儲搜索方向），需導入為Texture2D資源
- ?動態閾值?：采用相對亮度差（0.1閾值）檢測邊緣，避免固定閾值導致的過檢測
URP集成要點
- ?RenderPass配置?：在URP Renderer中按順序添加三個RenderFeature
- ?紋理綁定?：通過_AreaTex和_SearchTex參數傳遞預計算紋理
- ?性能優化?：使用linear_clamp_sampler減少紋理采樣開銷

// 邊緣檢測階段
Texture2D _MainTex;
Texture2D _BlendTex;
SamplerState linear_clamp_sampler;

// 預計算紋理
Texture2D _AreaTex; // 存儲混合模式(512x512)
Texture2D _SearchTex; // 存儲搜索方向(64x16)

struct EdgeData {
    float2 uv;
    float4 offsets[3];
};

EdgeData SMAAEdgeDetectionVS(float4 position : POSITION, float2 uv : TEXCOORD0) {
    EdgeData output;
    output.uv = uv;
    float4 texelSize = _MainTex_TexelSize.xyxy * float4(1.0, 1.0, -1.0, -1.0);
    output.offsets[0] = uv.xyxy + texelSize.xyxy * float4(-1.0, 0.0, 0.0, -1.0);
    output.offsets[1] = uv.xyxy + texelSize.xyxy * float4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    output.offsets[2] = uv.xyxy + texelSize.xyxy * float4(-2.0, 0.0, 0.0, -2.0);
    return output;
}

float4 SMAAColorEdgeDetectionPS(EdgeData input) : SV_Target {
    float L = Luminance(_MainTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.uv).rgb);
    float delta1 = Luminance(_MainTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.offsets[0].xy).rgb) - L;
    float delta2 = L - Luminance(_MainTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.offsets[0].zw).rgb);
    float2 edges = step(float2(0.1, 0.1), abs(float2(delta1, delta2)));
    return float4(edges, 0.0, 1.0);
}

// 權重計算階段
float4 SMAABlendingWeightCalculationPS(EdgeData input) : SV_Target {
    float2 area = _AreaTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.uv).rg;
    float2 search = _SearchTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.uv).rg;
    float4 weights = float4(area.r, area.g, search.r, search.g);
    return weights;
}

// 混合階段
float4 SMAANeighborhoodBlendingPS(EdgeData input) : SV_Target {
    float4 weights = _BlendTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.uv);
    float3 color = _MainTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.uv).rgb;
    float3 color1 = _MainTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.uv + float2(weights.r, 0.0)).rgb;
    float3 color2 = _MainTex.Sample(linear_clamp_sampler, input.uv + float2(0.0, weights.g)).rgb;
    return float4(lerp(color, (color1 + color2) * 0.5, weights.b), 1.0);
}

?實現原理?：

分三階段處理：

?邊緣檢測?：基于顏色/深度梯度識別鋸齒邊緣
?模式分析?：通過形態學算法（如腐蝕/膨脹）確定邊緣走向
?像素混合?：沿檢測到的邊緣方向插值（如斜線邊緣按45°方向混合）?

優勢?：

保留更多高頻細節（如UI文字銳度）
性能消耗僅為MSAA的1/3?

劣勢?：

對復雜光照鋸齒（如SSR反射）效果有限?

限制?：

需URP 12.0+版本支持?

多重采樣抗鋸齒(MSAA)

在光柵化階段對每個像素進行多重采樣（2x/4x/8x），計算覆蓋率和深度值后合并樣本。僅對幾何邊緣有效，通過硬件加速實現物理級抗鋸齒，但對著色鋸齒無效且消耗顯存帶寬。

實現原理?：

在光柵化階段對每個像素進行多重采樣（如4x MSAA采樣4個深度/顏色值），合并時通過權重計算平滑邊緣。例如，三角形邊緣像素會混合部分覆蓋的樣本?。

核心原理流程

?多重采樣階段?：硬件在光柵化時對每個像素生成多個子樣本（2x/4x/8x），分別計算深度和模板值
?樣本合并階段?：通過加權平均子樣本顏色值生成最終像素輸出，平滑幾何邊緣鋸齒
?深度一致性檢測?：自動處理子樣本間的深度差異，保留銳利幾何輪廓

MSAA_URP.shader

實現解析
- ?硬件級集成?：MSAA通過#pragma multi_compile指令激活GPU硬件支持，無需手動實現采樣邏輯
- ?深度處理優化?：自動處理子樣本間的深度差異，保留幾何邊緣銳度
- ?光照兼容性?：演示與URP光照系統的無縫集成，陰影計算同樣受益于MSAA
URP配置要點
- ?質量設置?：在URP Asset中啟用MSAA（2x/4x/8x）
- ?渲染目標?：需使用支持MSAA的RenderTexture格式（如RenderTextureFormat.DefaultHDR）
- ?性能考量?：4x MSAA在移動端TBR架構上性能損耗較低，適合高端移動設備

Shader "Universal Render Pipeline/MSAA"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
    }

    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }

        Pass
        {
            Name "MSAA_Pass"
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #pragma multi_compile _ _MAIN_LIGHT_SHADOWS
            #pragma multi_compile _ _MAIN_LIGHT_SHADOWS_CASCADE
            #pragma multi_compile _ _ADDITIONAL_LIGHTS
            #pragma multi_compile _ _ADDITIONAL_LIGHT_SHADOWS
            #pragma multi_compile _ _SHADOWS_SOFT

            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 positionWS : TEXCOORD1;
            };

            TEXTURE2D(_MainTex);
            SAMPLER(sampler_MainTex);

            Varyings vert(Attributes input)
            {
                Varyings output;
                VertexPositionInputs vertexInput = GetVertexPositionInputs(input.positionOS.xyz);
                output.positionCS = vertexInput.positionCS;
                output.uv = input.uv;
                output.positionWS = vertexInput.positionWS;
                return output;
            }

            half4 frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                // 硬件自動處理MSAA采樣
                half4 color = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);

                // 光照計算（演示MSAA與光照的兼容性）
                Light mainLight = GetMainLight();
                float3 N = normalize(cross(ddy(input.positionWS), ddx(input.positionWS)));
                float diffuse = saturate(dot(N, mainLight.direction));
                return color * (diffuse * mainLight.color + mainLight.shadowAttenuation);
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

?優勢?：

物理級抗鋸齒（對幾何邊緣效果最佳）
支持硬件加速（如DX12的MSAA優化）?

劣勢?：

顯存帶寬消耗高（8x MSAA增加50%帶寬）
對著色器鋸齒無效（如紋理過濾）?

限制?：

需關閉URP的延遲渲染功能?

| 特性 | MSAA | FXAA/SMAA |
| --- | --- | --- |
| 處理階段 | 光柵化階段 | 后處理階段 |
| 效果范圍 | 僅幾何邊緣 | 全圖像 |
| 性能消耗 | 中-高（取決于采樣數） | 低-中 |
| 兼容性 | 需硬件支持 | 全平臺通用 |

時間抗鋸齒(TAA)

利用歷史幀數據和運動向量，將當前幀與前一幀抗鋸齒結果進行時域混合。通過重投影技術解決動態物體問題，需配合動態模糊抑制重影現象，對動態場景效果最佳。

?實現原理?：

利用歷史幀數據（運動向量+深度緩沖）進行時域混合：

?重投影?：將當前幀與歷史幀對齊
?抖動補償?：通過隨機抖動減少重影
?累積濾波?：加權融合多幀結果?

核心原理流程

?幀間抖動采樣?：通過Halton序列對投影矩陣施加微小偏移，使采樣點在時間維度上均勻分布
?運動向量追蹤?：利用_CameraMotionVectorsTexture記錄像素位移，結合深度紋理處理邊緣運動
?歷史幀混合?：通過線性插值（lerp）將當前幀與歷史緩沖數據融合，動態調整混合權重

TAA.shader

關鍵技術解析
- ?運動向量處理?：通過_CameraMotionVectorsTexture獲取像素位移，確保歷史幀采樣位置準確
- ?動態混合策略?：基于運動向量長度調整混合權重，靜態區域權重低（保留更多歷史數據），動態區域權重高（減少拖影）
- ?投影矩陣抖動?：在C#腳本中修改相機投影矩陣實現Halton序列偏移，需配合UNITY_MATRIX_PREV_VP矩陣使用
URP集成要點
- ?RenderFeature配置?：需創建TAARenderFeature并設置執行時機為RenderPassEvent.BeforeRenderingPostProcessing
- ?雙緩沖歷史紋理?：使用兩個RenderTexture交替存儲歷史幀數據，避免讀寫沖突
- ?運動向量生成?：需為動態物體添加MotionVector Pass，靜態物體可直接使用相機運動矩陣

性能優化建議

?分辨率降采樣?：對歷史緩沖使用半分辨率紋理（需配合雙線性濾波）
?邊緣銳化后處理?：在TAA后添加FXAA或自定義銳化Pass補償過度模糊
?移動端適配?：將運動向量計算移至頂點著色器，減少Fragment計算量
該方案相比SMAA能有效減少次像素閃爍，特別適合處理動態植被和細小網格的鋸齒問題。實際部署時需注意處理透明物體的運動向量生成問題

Shader "Universal Render Pipeline/TAA"
{
    Properties
    {
        _MainTex("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _HistoryTex("History Buffer", 2D) = "black" {}
    }

    HLSLINCLUDE
    #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

    TEXTURE2D(_MainTex);
    TEXTURE2D(_HistoryTex);
    TEXTURE2D(_CameraMotionVectorsTexture);
    SAMPLER(sampler_linear_clamp);

    struct Varyings
    {
        float4 positionCS : SV_POSITION;
        float2 uv : TEXCOORD0;
    };

    // Halton序列生成抖動偏移
    float2 GetJitterOffset(uint frameIndex)
    {
        const float2 seq = float2(
            0.5f * (frameIndex % 8 + 1) / 8.0f,
            0.5f * (frameIndex % 16 + 1) / 16.0f
        );
        return (seq - 0.5f) * _ScreenParams.zw;
    }

    Varyings Vert(uint vertexID : SV_VertexID)
    {
        Varyings output;
        output.positionCS = GetFullScreenTriangleVertexPosition(vertexID);
        output.uv = GetFullScreenTriangleTexCoord(vertexID);
        return output;
    }

    float4 Frag(Varyings input) : SV_Target
    {
        // 獲取運動向量
        float2 motion = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraMotionVectorsTexture, sampler_linear_clamp, input.uv).xy;

        // 采樣當前幀和歷史幀
        float3 current = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_linear_clamp, input.uv).rgb;
        float3 history = SAMPLE_TEXTURE2D(_HistoryTex, sampler_linear_clamp, input.uv - motion).rgb;

        // 動態混合權重（基于運動向量長度）
        float blendFactor = saturate(length(motion) * 10.0f);
        return float4(lerp(history, current, blendFactor), 1.0);
    }
    ENDHLSL

    SubShader
    {
        Pass
        {
            Name "TAA_Pass"
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag
            ENDHLSL
        }
    }
}

優勢?：

動態場景抗鋸齒效果最佳（如快速移動的物體）
支持復雜光照（如HDRP的全局光照）?

劣勢?：

極端情況下出現重影（如快速切換場景）?

限制?：

需啟用運動向量（Motion Vectors）
不兼容動態分辨率?

URP中的選擇策略

性能優先場景

選擇FXAA：移動端或VR項目需保持60FPS時，其性能消耗僅為SMAA的60%。

畫質優先場景

靜態場景：MSAA 4x/8x（需關閉延遲渲染）
動態場景：TAA（需啟用運動向量）
風格化渲染：SMAA（保留清晰邊緣）

特殊配置建議

WebGL項目：避免MSAA（內存限制），推薦SMAA
VR項目：FXAA+TAA組合減少動態模糊
HDRP管線：優先TAA解決復雜光照鋸齒

技術決策矩陣：

指標	FXAA	SMAA	MSAA	TAA
幾何邊緣	中	良	優	優
著色鋸齒	差	中	無效	良
動態場景	中	中	優	優
GPU消耗	1x	1.5x	3-8x	2x
顯存占用	低	低	高	中

注：消耗基準以FXAA為1x計算

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達
（歡迎點贊留言探討，更多人加入進來能更加完善這個探索的過程，??）

posted @ 2025-10-30 08:26 SmalBox 閱讀(82) 評論(0) 收藏舉報

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設計 AI 玩游戲??

【URP】Unity[抗鋸齒]原理實現與對比

歷史發展節點

抗鋸齒技術實現原理

快速近似抗鋸齒(FXAA)

?實現原理?：

核心流程?：

?優勢?：

劣勢?：

限制?：

子像素形態抗鋸齒(SMAA)

核心原理流程

?實現原理?：

優勢?：

劣勢?：

限制?：

多重采樣抗鋸齒(MSAA)

實現原理?：

核心原理流程

?優勢?：

劣勢?：

限制?：

時間抗鋸齒(TAA)

?實現原理?：

核心原理流程

優勢?：

劣勢?：

限制?：

URP中的選擇策略

性能優先場景

畫質優先場景

特殊配置建議

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