Obrazový alias a metodika jeho potlačenia – antialiasing

Tento pojem úzko súvisí s kreslením úsečiek na rastrových zariadeniach. Antialiasing (vyhladzovanie) je metóda používaná k odstráneniu, alebo zmierneniu nežiadúceho skreslenia (aliasu) kresby na rastrových zariadeniach. Tento jav na rastrových zariadeniach sa nazýva alias4. Ide v podstate o nepresné vyjadrenie tvaru resp. potlačenie významných detailov čiže o stratu informácie. Spojité, hladké čiary sú na rastrových zariadeniach zobrazené schodovito. Pri kreslení v rastrovej sieti (táto je diskrétna) je skutočná scéna zobrazovaná vzorkovaním všeobecne spojitých priebehov. V počítačovej grafike sa alias môže objaviť v troch rôznych prípadoch:

1. schodovité zobrazovanie priamych rovných čiar a hraníc polygónov na rastrových displejoch
2. tento prípad sa objaví ak je zobrazovaný objekt menší ako veľkosť pixelu (obrazového bodu) alebo pri veľmi tenkých čiarách. Malé objekty potom nie sú vôbec zobrazené alebo napr. tenké čiary nie sú opticky hladké resp. ucelené (sú zobrazené ako nepravidelná postupnosť bodov).
3. pri zobrazení zložitejšej scény s blízkymi detailmi (napr. pri generovaní základných obrázkov z raytracingu). Tieto detaily sú buď potlačené alebo skreslené tak, že nie je možné rozoznať ich pôvodný tvar.

Tento jav sa prejavuje výrazne aj pri animačných sekvenciách alebo pri interaktívnej práci (napr. pri premiestňovaní alebo iných transformácií objektov v grafických editoroch), kde aj obyčajná úsečka vykáže nepríjemné skreslenie pri jej rotácii a keď je príliš malá môže sa striedavo objavovať a miznúť v závislosti od polohy.


Poznámka: (pohľad na aliasing z hľadiska spektrálnych vlastností signálu) Obrazový alias je dôsledkom obmedzenia spektra signálu pri jeho elektronickom spracovaní. V teórii signálového spracovania zohráva kľúčovú úlohu tzv. Shanon-Kotelnikova podmienka: rýchlosť vzorkovania respektíve šírka pásma zaznamenávaného signálu musí byť minimálne 2 krát vyššia ako je frekvencia najvyššej významnej spektrálnej zložky. Teda napr. Ak pre prenos rečí je najvyššou významnou frekvenciou 3.4 kHz. Potom minimálna vzorkovacia frekvencia je 2*3.4 = 6.8 kHz. V praxi sa pre zachovanie dostatočnej rezervy používa 8kHz.

Ak je použitá nižšia vzorkovacia frekvencia dochádza k nežiadúcim zmenám priebehu signálu oproti jeho pôvodnému tvaru – teda aliasu

Takto sme si predstavili alias na audiosignále. Obdobné problémy nastávajú aj pri spracovaní statickej ale aj pohyblivej obrazovej informácie.


Algoritmus antialiasingu: Základná idea antialiasingu spočíva v tom, že pixel sa nepovažuje za ideálny bod, ale pracuje sa s ním ako s plochou, ktorá je súčasťou scény. Každý objekt v scéne následne ovplyvňuje hodnotu minimálne jedného pixelu. Informáciu strácajúcu sa pri prevode do rastra prevedieme5 na jasovú (pri odtieňoch šedej) alebo na farebnú hodnotu pixelu. Potom intenzitu (farbu) každého pixelu určíme ako súčet (funkciu) intenzít (farieb) všetkých objektov, ktoré sú zobrazené v danom pixely. Na nasledujúcom obrázku je zobrazená úsečka a jej rasterizácia.

Rastrová náhrada (alias) čiary

Keďže je čiara tenšia ako šírka pixelu, nemôže byť dokonale zobrazená napr. Bresenhamovým algoritmom. Lepšie zobrazenie dosiahneme, keď intenzitu (farbu) každého pixelu odvodíme z veľkosti plochy prvkom zakrytej (napr. pozri nasledujúci obrázok). Teda jasovú informáciu stotožníme s veľkosťou plochy vymedzenej skutočnou úsečkou v príslušnom rastrovom štvorci, kde jednotlivé stredy pixelov sú posunuté do stredov týchto štvorcov.

Antialiasing

Ďalšou často používanou metódou (najmä v súvislosti s tretím prípadom aliasingu – takto je potlačený alias u grafických 3D adaptérov. Tá ktorá metodika antialiasingu je určená mechanizmom odberu vzoriek z vhodných bodov obrazu vygenerovaného s väčším rozlíčením) je metóda vzorkovania s vyššou frekvenciou, než je požadované rozlíšenie. Obraz je vygenerovaný do subpixelov a následne je intenzita pixelu určená ako vážený priemer intenzít susedných subpixelov (napr. ak chceme získať obraz s rozlíšením 640x480 pixelov, musíme vygenerovať obraz s rozlíšením aspoň 1280x960 subpixelov a intenzitu (farbu) každého pixelu určíme ako napr. aritmetický priemer intenzít štyroch subpixelov). Tento postup má však niekoľko nevýhod. V prvom rade sú to zvýšené nároky na čas (len dvojnásobná presnosť zvýši čas asi štvornásobne), pre objekty ešte menšie ako je veľkosť subpixelu sa problém opäť nerieši a použitie len aritmetického priemeru neodpovedá vždy skutočnosti, preto sa používajú iné vážené priemery. Častokrát sa používajú miesto antialiasingu aj filtrovacie techniky, ale o tom v inej kapitole.