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(quan)屏后處理(li)檢測邊緣像素并(bing)進行顏(yan)色混合，采(cai)用(yong)亮度對(dui)比度閾值(zhi)識別鋸齒區域，使用(yong)低通濾(lv)波器平滑(hua)邊緣。其核心是(shi)犧牲少量銳度換(huan)取性能優勢(shi)，處理(li)過程(cheng)完全(quan)在像素空間(jian)進行，不依賴(lai)幾何信息。

?實現原理?：

通過全(quan)屏后處理檢測像(xiang)素間亮度(du)差異（如RGB通道(dao)對比度(du)），對超(chao)過閾值的(de)邊緣(yuan)區(qu)域進行低通濾波混合。例如，當檢測到斜線邊緣(yuan)時，會模糊相鄰像(xiang)素以消(xiao)除階梯狀鋸(ju)齒(chi)?。

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(yong)ITU-R BT.709標(biao)準權重(zhong).

• 邊緣(yuan)檢測：對比3x3區(qu)域內像素亮(liang)度差(cha)，超過閾值(zhi)則(ze)標記為邊緣(yuan)

• 方向(xiang)判定：計算水平/垂直亮度梯(ti)度，確(que)定邊緣走向(xiang)（NW-SE或NE-SW）

• 混合執行：沿邊(bian)緣方向進行5-tap濾(lv)波，加權平均相(xiang)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(san)階段實現：邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)檢(jian)測（基(ji)于顏色/深度差）、權(quan)重(zhong)計(ji)算（分析(xi)邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)模式）、混合執行（沿邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)方向(xiang)(xiang)插值）。相比FXAA能保留更(geng)多高頻細節，通過(guo)形態學處理(li)識別像素級邊(bian)(bian)緣(yuan)(yuan)走向(xiang)(xiang)。

核心原理流程

• ?邊緣檢測階段?：使(shi)用Sobel算子分析像素亮度(du)梯度(du)，生成(cheng)邊(bian)(bian)緣(yuan)紋理（分為水平和(he)垂直邊(bian)(bian)緣(yuan)）

• ?權重計算階段?：通過AreaTex和SearchTex分(fen)析邊緣形(xing)態（L形(xing)/T形(xing)/對(dui)角線），計算混合權重

• ?混合執行階段?：根據權(quan)重對邊緣像素進(jin)行雙線性插值混合，保(bao)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(zai)光柵化階段對(dui)(dui)每個(ge)像素(su)進(jin)行多重采樣(yang)（2x/4x/8x），計算(suan)覆蓋(gai)率和深度(du)值后合并樣(yang)本。僅對(dui)(dui)幾何邊緣有效，通(tong)過硬件加(jia)速實現物理(li)級抗鋸(ju)齒(chi)，但對(dui)(dui)著色鋸(ju)齒(chi)無效且消耗(hao)顯存帶寬。

實現原理?：

在(zai)光柵化(hua)階段對每個像(xiang)素進行多重采樣(yang)（如4x MSAA采樣(yang)4個深度/顏色值），合(he)并時通過(guo)權重計算平滑邊緣。例如，三角形邊緣像(xiang)素會混合(he)部分覆蓋的樣(yang)本?。

核心原理流程

• ?多重采樣階段?：硬件在光(guang)柵化時對每個(ge)像素生(sheng)成多(duo)個(ge)子樣(yang)本（2x/4x/8x），分別計算深度(du)和模板值

• ?樣本合并階段?：通過加(jia)權平(ping)均子樣(yang)本(ben)顏(yan)色值生成最終像素輸(shu)出，平(ping)滑幾何(he)邊緣鋸齒

• ?深度一致性檢測?：自(zi)動處(chu)理(li)子樣本間的深度差異，保留銳利(li)幾何(he)輪(lun)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(bi)URP的延遲渲染(ran)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(rong)性(xing) | 需硬件支持 | 全平臺通用 |

時間抗鋸齒(TAA)

利用歷史幀數(shu)據和運(yun)動(dong)向量，將(jiang)當前(qian)幀與前(qian)一幀抗鋸齒結果進行時域(yu)混合。通(tong)過重投影(ying)技術(shu)解決動(dong)態物(wu)體問題，需配合動(dong)態模(mo)糊抑制重影(ying)現(xian)象，對(dui)動(dong)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(yu)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(mu)需(xu)保持60FPS時(shi)，其性(xing)能消(xiao)耗(hao)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：

注：消耗基準以FXAA為1x計算

專欄-直達
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