全屏反锯齿 - 多重采样Ⅰ

    图形绘制的时候总能看见那些不美观的锯齿。尤其是边缘锯齿给用户带来的突兀感，给了计算机图形学几乎一个属于“领域”的研究——反锯齿。视觉上的美观优化，以及改进后的运行效率，两手都要硬。
    锯齿是由于屏幕分辨率低所造成的赝项，想必大家也知道这指什么。CSDN里一位高人仁兄问道，在显卡设置里面有所谓的“反锯齿”选项，可以设置覆盖采样的参数，那么在OpenGL里是否也有相应的API能够做相应的设置呢？我刚开始是认为所谓显卡里的抗锯齿是shader里对屏幕做全屏PCF（百分比渐进过滤），而OPENGL的API里面也没见过有什么可以接收类似覆盖采样这样的参数的，顶多是glHint那类函数可以通过混合等缓解点线的锯齿现象罢了。可接下来有人回帖说了NEHE46课，我马上“觉醒”，对喔，NEHE里[搜集的优良OpenGL教程] 确实有课叫什么“全屏反锯齿”的，马上在电脑里找出来看——还真的有呢！
    所谓采样参数，也可以说是“平滑处理级别”，一般就有1X，2X，4X，8X，16X这几个值。在[图像处理里的空间域滤波] 一文中，谈到了图像的平滑处理（模糊），其本质就是通过把一个像素作邻域处理（领域加合平均）得出新像素值而已，领域大小被称为模板参数，一般是个奇数，这样才能把待处理像素包围在中间。而这里的采样参数，乍一看就是2的N次方这样的数，但窃认为其实都是那么回事，只不过更适合于描述而已。
    通常认为在实时图形学中，这种像素级别的操作应该交给强大的Shder。在shader里被称为dithered samples的，就是PCF系数。因为它的可编程性能，对显卡的要求就更可具弹性了，实际上任何X都可以，不限制于2的N次方。
    为了说得清晰点，以橙书里关于对Shadow map做PCF那章的代码段为例（[Shadow Map阴影贴图技术之探Ⅲ] ）：

//Listing 13.7. Fragment shader for generating shadows, using four dithered samples
uniform sampler2DShadow ShadowMap;
uniform float Epsilon;
uniform bool SelfShadowed;
uniform float SelfShadowedVal;
uniform float NonSelfShadowedVal;
varying vec3 ShadowCoord;
float Illumination;
float lookup(float x, float y)
{
float depth = shadow2D(ShadowMap,
ShadowCoord vec2(x, y) * Epsilon).x;
return depth != 1.0 ? Illumination : 1.0;
}
void main()
{
// lighten up the self-shadows
Illumination = SelfShadowed ? SelfShadowedVal : NonSelfShadowedVal;
// use modulo to vary the sample pattern
vec2 o = mod(floor(gl_FragCoord.xy), 2.0);
float sum = 0.0;
sum = lookup(vec2(-1.5, 1.5) o);
sum = lookup(vec2( 0.5, 1.5) o);
sum = lookup(vec2(-1.5, -0.5) o);
sum = lookup(vec2( 0.5, -0.5) o);
gl_FragColor = vec4(sum * 0.25 * gl_Color.rgb, gl_Color.a);
}

这里你可以认为是为了消缓shadow map形成的锯齿而做的“全屏反锯齿”，或者说“全屏模糊化”“全屏平滑化”（针对阴影帖图覆盖之场景）。参数是4X。看最下面几行，它做了一些检索纹理（阴影图）的动作。sum是个颜色计数器，它把当前处理像素所在纹素的周边四个纹素的值相加，并在输出时除以4以归一化回[0，1]区间——这是典型的模板滤波操作。当然还有一点小动作（取非整值并根据纹理索引的奇偶再偏移0个或1个纹素），不多提，但总体思路就是这样——这就是PCF的雏形。一张纹理的颜色过渡只有在边缘处巨变，而人眼对边缘的部分总是比较敏感，边缘处产生的模糊正能消除这种突兀感。
    好吧，如果这算4X，那么5X，6X如此下去都可以。但是4X和5X你能想到两者有啥区别么？无非后者多搅和了一个纹素而已，如果这个被搅和的纹素不用中心纹素，你还得决定是在哪个方向多加一个呢！6X就更不用说了.......所以说，下一个“级别”应该是关于中心纹素得包围圈向外延伸一个纹素，每方向上加多一个，也就是8X了.......如此类推，你能发现比较匀称和谐的“采样参数”都是2的N次方。
    另一方面，总不能无限地32X，64X下去吧，要知道，每多一个“级别”，对每个像素就得做多一倍的加法，运算效率下来了，这还不算，更主要的是，整张纹理都被错位叠加N次了，纹理被覆物最后真被模糊得血肉模糊，不成人形（喂，本来就不成嘛）了——因为平滑模糊，就相当于去处细节！
    概念讲到这里，回到开头那里。显卡里的PCF？我看了看自己的显卡的控制面板（NV9），里面解释到：
    平滑处理可设置为有利于提高系统性能或改进图象质量。

如果要显示三维动画效果和强调场景的流畅变换，最好使用性能设置。
如果要以显示非常精细和逼真的三维物体为主要目的时，最好使用质量设置。
在“管理 3D 设置”页面上（高级视图），您可以设置具体的平滑处理级别。
值越高，对应的平滑处理的级别就越高。例如，16x 的质量要高于 2x。
在 GeForce 8 系列 GPU 中，NVIDIA 推出了一种新形式的平滑处理，称为“覆盖采样”，该功能对 8x、16x 和 16xQ 平滑处理设置产生影响。如需更多信息，请参照 NVIDIA.com 网站上关于 Lumenex 引擎技术的简介。
如果您不能肯定如何配置平滑处理，请使用“应用程序控制的”选项。您的显示将根据应用程序的规定自行调整。

有粗略的设置方法（质量-效率权衡）：

    也有可能做个精确一点的设置：

    的确是可以设置的。那么，既然显卡提供了这样的功能，那么有对应的集成API也很正常吧。但是，看完NEHE46课后，我知道OPenGL里能实现这种设置的方法是使用一个叫"multi sample"的扩展。而且也不能一步到位，需要设置不少东西。我不能肯定它与PCF有没有什么特别的联系，于是我想自己按照NEHE 46来实现一下。

附加题目