【URP】Unity[抗锯齿]原理实现与对比

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

历史发展节点

‌2001年‌：MSAA成为DirectX 8标准配置，通过硬件多采样解决几何锯齿
‌2009年‌：NVIDIA推出FXAA，开创后处理抗锯齿时代
‌2011年‌：SMAA 1.0发布，平衡性能与画质
‌2014年‌：TAA开始普及，解决动态场景抗锯齿问题
‌2017年‌：Unity URP集成全系列抗锯齿方案

抗锯齿技术实现原理

快速近似抗锯齿(FXAA)

通过全屏后处理检测边缘像素并进行颜色混合，采用亮度对比度阈值识别锯齿区域，使用低通滤波器平滑边缘。其核心是牺牲少量锐度换取性能优势，处理过程完全在像素空间进行，不依赖几何信息。

‌实现原理‌：

通过全屏后处理检测像素间亮度差异（如RGB通道对比度），对超过阈值的边缘区域进行低通滤波混合。例如，当检测到斜线边缘时，会模糊相邻像素以消除阶梯状锯齿‌。

核心流程‌：

亮度计算：使用RGB转亮度公式luma = dot(rgb, float3(0.299, 0.587, 0.114)) 采用ITU-R BT.709标准权重.
边缘检测：对比3x3区域内像素亮度差，超过阈值则标记为边缘
方向判定：计算水平/垂直亮度梯度，确定边缘走向（NW-SE或NE-SW）
混合执行：沿边缘方向进行5-tap滤波，加权平均相邻像素颜色

FXAA.shader

关键参数说明
- ‌亮度计算‌：采用0.2126729, 0.7151522, 0.0721750权重符合sRGB标准
- ‌边缘阈值‌：edgeThresholdMin防止过度处理平滑区域，edgeThreshold动态适应高亮度区域
- ‌方向判定‌：通过水平和垂直方向的二阶差分确定主边缘方向
- ‌子像素混合‌：subpixelBlend控制亚像素级混合强度，改善细线表现
URP集成要点
- 通过RenderFeature添加到URP渲染管线
- 需在相机设置中禁用MSAA/TAA等冲突抗锯齿
- 纹理采样使用URP标准的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亮度系数
    float Luminance(float3 rgb)
    {
        return dot(rgb, float3(0.2126729, 0.7151522, 0.0721750));
    }

    // 边缘检测结构体
    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)
    {
        // 参数配置
        float edgeThresholdMin = 0.03125;
        float edgeThreshold = 0.125;
        float subpixelBlend = 0.75;

        EdgeData ed = SampleLumaNeighborhood(uv);

        // 边缘检测条件
        if(ed.contrast < max(edgeThresholdMin, ed.highest * edgeThreshold))
            return SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, uv);

        // 计算混合方向
        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;

        // 边缘端点检测
        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;

        // 加权混合
        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
        }
    }
}

‌优势‌：

性能消耗最低（仅需1次全屏采样）
兼容所有GPU架构‌

劣势‌：

导致画面整体模糊（尤其影响高光区域）
无法处理时间性锯齿（如动态物体）‌

限制‌：

不适用于HDRP的延迟渲染管线‌

子像素形态抗锯齿(SMAA)

分三阶段实现：边缘检测（基于颜色/深度差）、权重计算（分析边缘模式）、混合执行（沿边缘方向插值）。相比FXAA能保留更多高频细节，通过形态学处理识别像素级边缘走向。

核心原理流程

‌边缘检测阶段‌：使用Sobel算子分析像素亮度梯度，生成边缘纹理（分为水平和垂直边缘）
‌权重计算阶段‌：通过AreaTex和SearchTex分析边缘形态（L形/T形/对角线），计算混合权重
‌混合执行阶段‌：根据权重对边缘像素进行双线性插值混合，保留高频细节

SMAA.hlsl

关键实现解析
- ‌三阶段架构‌：需创建三个独立Pass分别对应边缘检测、权重计算和混合阶段
- ‌纹理资源‌：依赖预计算的AreaTex（存储混合模式）和SearchTex（存储搜索方向），需导入为Texture2D资源
- ‌动态阈值‌：采用相对亮度差（0.1阈值）检测边缘，避免固定阈值导致的过检测
URP集成要点
- ‌RenderPass配置‌：在URP Renderer中按顺序添加三个RenderFeature
- ‌纹理绑定‌：通过_AreaTex和_SearchTex参数传递预计算纹理
- ‌性能优化‌：使用linear_clamp_sampler减少纹理采样开销

// 边缘检测阶段
Texture2D _MainTex;
Texture2D _BlendTex;
SamplerState linear_clamp_sampler;

// 预计算纹理
Texture2D _AreaTex; // 存储混合模式(512x512)
Texture2D _SearchTex; // 存储搜索方向(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);
}

// 权重计算阶段
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;
}

// 混合阶段
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);
}

‌实现原理‌：

分三阶段处理：

‌边缘检测‌：基于颜色/深度梯度识别锯齿边缘
‌模式分析‌：通过形态学算法（如腐蚀/膨胀）确定边缘走向
‌像素混合‌：沿检测到的边缘方向插值（如斜线边缘按45°方向混合）‌

优势‌：

保留更多高频细节（如UI文字锐度）
性能消耗仅为MSAA的1/3‌

劣势‌：

对复杂光照锯齿（如SSR反射）效果有限‌

限制‌：

需URP 12.0+版本支持‌

多重采样抗锯齿(MSAA)

在光栅化阶段对每个像素进行多重采样（2x/4x/8x），计算覆盖率和深度值后合并样本。仅对几何边缘有效，通过硬件加速实现物理级抗锯齿，但对着色锯齿无效且消耗显存带宽。

实现原理‌：

在光栅化阶段对每个像素进行多重采样（如4x MSAA采样4个深度/颜色值），合并时通过权重计算平滑边缘。例如，三角形边缘像素会混合部分覆盖的样本‌。

核心原理流程

‌多重采样阶段‌：硬件在光栅化时对每个像素生成多个子样本（2x/4x/8x），分别计算深度和模板值
‌样本合并阶段‌：通过加权平均子样本颜色值生成最终像素输出，平滑几何边缘锯齿
‌深度一致性检测‌：自动处理子样本间的深度差异，保留锐利几何轮廓

MSAA_URP.shader

实现解析
- ‌硬件级集成‌：MSAA通过#pragma multi_compile指令激活GPU硬件支持，无需手动实现采样逻辑
- ‌深度处理优化‌：自动处理子样本间的深度差异，保留几何边缘锐度
- ‌光照兼容性‌：演示与URP光照系统的无缝集成，阴影计算同样受益于MSAA
URP配置要点
- ‌质量设置‌：在URP Asset中启用MSAA（2x/4x/8x）
- ‌渲染目标‌：需使用支持MSAA的RenderTexture格式（如RenderTextureFormat.DefaultHDR）
- ‌性能考量‌：4x MSAA在移动端TBR架构上性能损耗较低，适合高端移动设备

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
            {
                // 硬件自动处理MSAA采样
                half4 color = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);

                // 光照计算（演示MSAA与光照的兼容性）
                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
        }
    }
}

‌优势‌：

物理级抗锯齿（对几何边缘效果最佳）
支持硬件加速（如DX12的MSAA优化）‌

劣势‌：

显存带宽消耗高（8x MSAA增加50%带宽）
对着色器锯齿无效（如纹理过滤）‌

限制‌：

需关闭URP的延迟渲染功能‌

| 特性 | MSAA | FXAA/SMAA |
| --- | --- | --- |
| 处理阶段 | 光栅化阶段 | 后处理阶段 |
| 效果范围 | 仅几何边缘 | 全图像 |
| 性能消耗 | 中-高（取决于采样数） | 低-中 |
| 兼容性 | 需硬件支持 | 全平台通用 |

时间抗锯齿(TAA)

利用历史帧数据和运动向量，将当前帧与前一帧抗锯齿结果进行时域混合。通过重投影技术解决动态物体问题，需配合动态模糊抑制重影现象，对动态场景效果最佳。

‌实现原理‌：

利用历史帧数据（运动向量+深度缓冲）进行时域混合：

‌重投影‌：将当前帧与历史帧对齐
‌抖动补偿‌：通过随机抖动减少重影
‌累积滤波‌：加权融合多帧结果‌

核心原理流程

‌帧间抖动采样‌：通过Halton序列对投影矩阵施加微小偏移，使采样点在时间维度上均匀分布
‌运动向量追踪‌：利用_CameraMotionVectorsTexture记录像素位移，结合深度纹理处理边缘运动
‌历史帧混合‌：通过线性插值（lerp）将当前帧与历史缓冲数据融合，动态调整混合权重

TAA.shader

关键技术解析
- ‌运动向量处理‌：通过_CameraMotionVectorsTexture获取像素位移，确保历史帧采样位置准确
- ‌动态混合策略‌：基于运动向量长度调整混合权重，静态区域权重低（保留更多历史数据），动态区域权重高（减少拖影）
- ‌投影矩阵抖动‌：在C#脚本中修改相机投影矩阵实现Halton序列偏移，需配合UNITY_MATRIX_PREV_VP矩阵使用
URP集成要点
- ‌RenderFeature配置‌：需创建TAARenderFeature并设置执行时机为RenderPassEvent.BeforeRenderingPostProcessing
- ‌双缓冲历史纹理‌：使用两个RenderTexture交替存储历史帧数据，避免读写冲突
- ‌运动向量生成‌：需为动态物体添加MotionVector Pass，静态物体可直接使用相机运动矩阵

性能优化建议

‌分辨率降采样‌：对历史缓冲使用半分辨率纹理（需配合双线性滤波）
‌边缘锐化后处理‌：在TAA后添加FXAA或自定义锐化Pass补偿过度模糊
‌移动端适配‌：将运动向量计算移至顶点着色器，减少Fragment计算量
该方案相比SMAA能有效减少次像素闪烁，特别适合处理动态植被和细小网格的锯齿问题。实际部署时需注意处理透明物体的运动向量生成问题

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序列生成抖动偏移
    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
    {
        // 获取运动向量
        float2 motion = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraMotionVectorsTexture, sampler_linear_clamp, input.uv).xy;

        // 采样当前帧和历史帧
        float3 current = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_linear_clamp, input.uv).rgb;
        float3 history = SAMPLE_TEXTURE2D(_HistoryTex, sampler_linear_clamp, input.uv - motion).rgb;

        // 动态混合权重（基于运动向量长度）
        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
        }
    }
}

优势‌：

动态场景抗锯齿效果最佳（如快速移动的物体）
支持复杂光照（如HDRP的全局光照）‌

劣势‌：

极端情况下出现重影（如快速切换场景）‌

限制‌：

需启用运动向量（Motion Vectors）
不兼容动态分辨率‌

URP中的选择策略

性能优先场景

选择FXAA：移动端或VR项目需保持60FPS时，其性能消耗仅为SMAA的60%。

画质优先场景

静态场景：MSAA 4x/8x（需关闭延迟渲染）
动态场景：TAA（需启用运动向量）
风格化渲染：SMAA（保留清晰边缘）

特殊配置建议

WebGL项目：避免MSAA（内存限制），推荐SMAA
VR项目：FXAA+TAA组合减少动态模糊
HDRP管线：优先TAA解决复杂光照锯齿

技术决策矩阵：

指标	FXAA	SMAA	MSAA	TAA
几何边缘	中	良	优	优
着色锯齿	差	中	无效	良
动态场景	中	中	优	优
GPU消耗	1x	1.5x	3-8x	2x
显存占用	低	低	高	中

注：消耗基准以FXAA为1x计算

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
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posted @ 2025-10-30 08:26 SmalBox 阅读(66) 评论(0) 收藏举报

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【URP】Unity[抗锯齿]原理实现与对比

历史发展节点

抗锯齿技术实现原理

快速近似抗锯齿(FXAA)

‌实现原理‌：

核心流程‌：

‌优势‌：

劣势‌：

限制‌：

子像素形态抗锯齿(SMAA)

核心原理流程

‌实现原理‌：

优势‌：

劣势‌：

限制‌：

多重采样抗锯齿(MSAA)

实现原理‌：

核心原理流程

‌优势‌：

劣势‌：

限制‌：

时间抗锯齿(TAA)

‌实现原理‌：

核心原理流程

优势‌：

劣势‌：

限制‌：

URP中的选择策略

性能优先场景

画质优先场景

特殊配置建议

公告