Antyaliasing to słowo często używane przez fotografów i graczy, którzy mają do czynienia z grafiką i obrazami. Zobacz, czym jest antyaliasing, dlaczego go używamy i, co najważniejsze, kiedy najlepiej go nie używać.
Jest to ważna część tworzenia obrazów i fotografii — antyaliasing to z pewnością coś, co należy rozumieć tak dokładnie, jak to możliwe, aby tworzyć obrazy wysokiej jakości. Mamy nadzieję, że jesteś przygotowany na bardzo geekowy artykuł, ponieważ masz dużo dyskusji o matematyce i naukach ścisłych zmieszanych z dzisiejszym artykułem wyjaśniającym. Czytaj dalej!
Wektory i piksele oraz dlaczego aparaty robią zdjęcia z pikselami
Być może pamiętasz artykuł sprzed roku, w którym rozmawialiśmy o różnicy w wektorach i pikselach. Istnieje kilka podstawowych różnic między nimi: piksele są uporządkowanymi tablicami światła, pigmentu lub koloru; wektory to matematyczne reprezentacje linii, kształtów, gradientów itp. Wektory są precyzyjne; istnieją we współrzędnych bezwzględnych na siatce algebraicznej. Ponieważ są tak absolutne, nie ma rozmycia granicy między tym, gdzie są, a tym, gdzie nie są. Nawet jeśli monitor nie może renderować nieskończonej grubości odcinka linii (zawsze musi to pokazywać w pikselach), nadal jest tak cienki jak linia istniejąca tylko w teoretycznie matematycznym świecie.
Na tym polega problem z fotografią – światło nie jest tak precyzyjne, jak by było potrzebne do uchwycenia w idealnie matematyczny sposób. Jest prawdopodobne, że nawet gdybyśmy opracowali aparaty zdolne do odczytywania lokalizacji poszczególnych fotonów z kwantową precyzją, gdy trafiają one w czujnik, z powodu dziwna natura fizyki na poziomie kwantowym, poszczególne cząstki mogą w rzeczywistości pojawiać się na czujniku w wielu miejscach jednocześnie. Oznacza to, że może być absolutnie niemożliwe uzyskanie bezwzględnej lokalizacji tej pojedynczej cząstki światła w momencie uderzenia w czujnik — fotografia jest tylko przybliżeniem tego, jak to światło jest uchwycone. Zatrzymanie (zdolność aparatu do tworzenia ostrych obrazów z poruszających się obiektów) nigdy nie może być doskonałe — przynajmniej wydaje się bardzo, bardzo mało prawdopodobne.
Piksele są przydatne, ponieważ obrazy o wysokiej rozdzielczości mogą przybliżać kolory i kształty, dokładnie odtwarzając obraz w sposób podobny do fotografii filmowej. Chociaż ta właściwość pikseli i jej wykorzystanie w fotografii jest nie wygładzanie krawędzi dokładnie, zrozumienie tej właściwości fotografii cyfrowej jest jednym z najlepszych miejsc, w których można dobrze zrozumieć, czym jest wygładzanie krawędzi.
Interpolacja: tworzenie czegoś z (prawie) niczego?
Fotografia cyfrowa to przybliżenie kolorów i wartości występujących, gdy światło pada na czujnik — w ten sam sposób antyaliasing to przybliżenie danych obrazu przy użyciu techniki zwanej „Interpolacja”. Interpolacja to wymyślny termin matematyczny oznaczający dane utworzone na podstawie trendów istniejących danych, tj. wykształconych przypuszczeń, co może faktycznie znajdować się w tym miejscu, jeśli dostępnych jest więcej punktów danych. Chociaż jest to bardziej skomplikowane niż proste zgadywanie — istnieją formuły i odpowiednie metody interpolacji — nie można oczekiwać, że będzie to idealnie dokładna reprezentacja danych obrazu, które faktycznie tam są. Nawet najmądrzejsza matematyka nie może stworzyć czegoś z niczego.
Kiedy spojrzymy na te szachownice renderowane komputerowo, możemy zacząć rozumieć, co robi wygładzanie, aby poprawić i przybliżyć obrazy. Na obrazie po lewej stronie nie ma interpolacji danych — szachownica jest renderowana w czarno-białych pikselach, gdy cofa się w perspektywie i szybko staje się bałaganem. Powstałe błędy wizualne i artefakty są tym, co nazywamy „aliasingiem”. Drugi i trzeci obraz powyżej wykorzystują różne formy „antyaliasingu”, aby lepiej przybliżyć sposób, w jaki ludzkie oczy (i aparaty fotograficzne) postrzegają światło.
Te obrazy były jednak tłumaczeniem absolutnych obrazów matematycznych na obrazy oparte na pikselach. Jak wygładzanie krawędzi odnosi się do twojej fotografii? Gdy obrazy są zmieniane, powiększane lub pomniejszane, obraz jest interpolowany na podstawie danych istniejących w dokumencie obrazu. Lewy obraz jest zmniejszany przy użyciu resamplingu „najbliższego sąsiada” w Photoshopie — innymi słowy, nie jest wygładzany (można to dosłownie nazwać alias). Obraz po prawej stronie jest zmniejszony i wygładzony, dzięki czemu przy tak małych rozmiarach obraz jest znacznie prawdziwszy.
Powiększone obrazy również korzystają z antyaliasingu — programy graficzne dokonują najlepszego zgadywania na podstawie danych na obrazie. Pamiętaj, że podczas upsamplingu (powiększania) obrazów w programie graficznym nigdy nie uzyskasz większej rozdzielczości z cyfrowego powiększenia — rodzaj wykonywanej interpolacji może dobrze zgadywać, co powinno tam być, ale Nigdy się nie dowiem na pewno. Twoje krawędzie będą miękkie i będą bardziej miękkie w miarę powiększania się zdjęcia.
Dobrą zasadą jest to, że zawsze możesz próbkować (zmniejszyć) swoje obrazy bez utraty jakości przez wygładzanie. Upsampling (powiększanie) sprawia, że wygładzanie krawędzi jest bardzo oczywiste, nie dodaje żadnej nowej rozdzielczości i powinno być wykonywane tylko wtedy, gdy nie da się tego uniknąć.
Antyaliasing i wektory: dlaczego antyaliasing sprawia, że gry wideo wyglądają lepiej
Jeśli grałeś w grę na PC w ciągu ostatnich 15 lat, być może widziałeś opcje wideo zawierające ustawienia antyaliasingu. Jeśli pamiętasz, kiedy omawialiśmy kształty wektorowe występujące w pozycji bezwzględnej, powinieneś zacząć rozumieć, dlaczego wygładzanie jest ważne w grach wideo.
3 Formy wymiarowe są tworzone w wielokątach wektorowych, a te wielokąty istnieją tylko w dziedzinie matematyki. Antyaliasing w grach wideo ma co najmniej dwa cele: po pierwsze, chce być w stanie renderować bezwzględne, ostre linie wielokątów w formie, która wygląda przyzwoicie na monitorze opartym na pikselach; po drugie, antyaliasing lepiej odtwarza nieprecyzyjny sposób, w jaki fotografia i ludzkie oczy postrzegają światło.
Antyaliasing i typografia
Na koniec, istnieje wiele sytuacji, w których wygładzanie krawędzi nie jest idealne. Jeśli kiedykolwiek pracowałeś z grafikami, prawdopodobnie słyszałeś, jak narzekają na typografię w Photoshopie i na to, jak gorsza jest od programu Illustrator — i mają rację.
Obie powyższe litery są typografią opartą na pikselach, przy czym lewa jest wygładzona, a prawa wygładzona. Nie ma też dobrych reprezentacji typografii, a przynajmniej tego kroju pisma. Dopuszczalne jest renderowanie czcionki na ekranie z antyaliasingiem, ale w przypadku druku może to mieć katastrofalne konsekwencje.
Kiedy myślisz o tym, czym są litery, tak naprawdę nie przestrzegają tych samych zasad, których wymaga fotografia cyfrowa. Litery to abstrakcyjne idee i absolutne kształty — lepiej pasują do kategorii „czystej matematyki” grafiki wektorowej. I w zależności od rodzaju procesu drukowania użytego do ich stworzenia, te czyste matematyczne kształty wektorowe stają się absolutnie ważne.
Powyższy obrazek został utworzony czcionką wygładzoną, a następnie najprawdopodobniej wydrukowany offsetowo. Kiedy przyjrzymy się uważnie, zobaczymy, dlaczego to jest złe.
Bardzo szybko staje się jasne, że te wygładzone formularze nie wytrzymały dobrze wydrukowanych w ten sposób. Jest to przykład tego, jak wygładzanie krawędzi (a także obrazowanie oparte na pikselach) może być gorsze podczas renderowania typografii.
Oczywiście, gdyby był to obraz (jak fotografia), a nie abstrakcyjne formy pisma, całkiem by się nie udało.
Czcionka, będąc medium abstrakcyjnym, wymaga precyzji wektorów, aby wytrzymać w procesach drukowania, które nie wykorzystują kropek atramentowych do tworzenia obrazu. Nawet z bardzo bliskiej odległości nie widzimy żadnych kropek ani dowodów na to, że antyaliasing został zastosowany w plikach użytych do wydrukowania tej puszki Coca-Coli.
Oczywiście większość czytelników HTG nie będzie drukować offsetowo większości swoich zdjęć, więc typografia oparta na pikselach wydrukowana z drukarek punktowych będzie działać dobrze. Po prostu pamiętaj o wygładzaniu krawędzi podczas pracy z typografią i kiedy pracujesz z fotografią – przekonasz się, że jesteś lepiej przygotowany do dokonywania właściwych wyborów, które zapewnią Ci najlepsze możliwe zdjęcia.
Jeśli masz jakiekolwiek pytania dotyczące wygładzania krawędzi i zdjęć, na które nie odpowiedzieliśmy, a może uważasz, że pominęliśmy coś ważnego, daj nam znać w komentarzach poniżej.
Kredyty obrazkowe: Varena #1 autorstwa hasensaft, dostępny pod Creative Commons. Niewyraźny portret parasola autorstwa Shannon, dostępny pod Creative Commons. Dragon Age 2 Demo Ogre VH autorstwa Deborah Timmins, dostępny pod Creative Commons. Obrazy antyaliasingowe autorstwa Loisel, dostępny pod Darmowa licencja GNU.