Сглаживания, или как потерять в производительности не всегда получая лучшее качество

Сглаживания в играх вещь распространённая, и это довольно важная составляющая при восприятии картинки. Но не все виды сглаживания могут похвастаться низкими требованиями к железу или качественным результатом, или всё вместе. Но не исключён вариант что некоторые виды сглаживания могут показывать достойный результат, при этом предъявляя низкие требованиях к компьютеру.

В данной статье хочется сравнить потери в производительности от использования различных методов сглаживания, и посмотреть, что же при этом меняется в кадре. Ещё раз, я не собираюсь разбирать методы и принципы их работы, мне хочется изучить влияния сглаживания на конечный результат. Хотя краткое пособие, что представляет из себя каждое сглаживание, было бы полезно иметь под рукой, но тут вмешивается современные реалии. Как говориться следите за руками.

Для тестов я взял игры в которых возможно однозначно определить используемый параметр сглаживания, ибо под сглаживанием, где не указан точный метод, может использоваться всё что угодно, даже изменение исходного разрешения. К примеру, вот что специалисты из Digital Foundry написали про сглаживания в Assassin's Creed Odyssey (перевод любительский):

При высоком параметре исходное разрешение сохраняется, так же данные из предыдущих кадров интегрируются в текущий кадр, обеспечивая более плавный и стабильный кадр благодаря временной реконструкции. Средний и низкий параметр (сглаживания - прим. авт.) фактически снижает исходное разрешение примерно до 90% и 80% соответственно, полагаясь на временный суперсэмплинг для добавления дополнительных деталей.

Digital Foundry

Получается, что при низком и среднем параметре сглаживания картинка начинает рендериться в более низком разрешении. И как в этом случае проводить параллели, если две игры будут использовать один и тот же метод сглаживания, но в перовом случае игра будет использовать более низкое исходное разрешение и технологии временной реконструкции до необходимого разрешения, а вторая игра будет рендерить картинку по честному? Разумеется, в первом случае fps будет выше, что можно проверить по тестам того же самого Ассасина, где при включении минимального сглаживания кадровая частота увеличивается.

Таким образом из списка своих игр я отобрал несколько проектов (в скобках указаны доступные сглаживания):

• Assassin's Creed Unity (FXAA; MSAA 2x, 4x, 8x; TXAA)
• Assassins Creed Syndicate (FXAA; MSAA 2x, 4x + FXAA; TXAA 2x, 4x + FXAA)
• Rise of the Tomb Raider 20 Year Celebration (FXAA; SMAA; SSAA 2x, 4x)
• Shadow of the Tomb Raider Definitive Edition (SMAA _, 4x; SMAAT2x; TAA

Все игры в тестах лицензионные, сервис через который запускались игры будут указываться отдельно. Это делается из-за недавнего материала, где игра, запущенная через Steam и EGS, может выдавала различную кадровую частоту (материал по можно изучить тут - ссылка). В этой статье одна и та же игра была запущена через два лаунчера, на двух ПК, и при всех тестах EGS-версия стабильно выдавала на 1-3 кадра больше.

Разумеется, у меня есть ещё игры которые поддерживают выбор сглаживания, но если бы я решил использовать в тестах CS:GO или Portal 2 из начала 2010-ых, которые были созданы на основе морально устаревшего DX9, или GTA V, созданная для поколения Xbox360 и PS3, но которая использует на ПК более современный DX11... Данные игры уже морально устарели в техническом плане. AC Unity тоже игра не первой свежести, но создавались она уже под 8 поколение консолей, PS4 и XBox One.

Но есть ещё пара игр, и с ними уже интересней. Из наиболее современных у меня установлены Mafia Definitve Edition и Cyberpunk 2077. Если в случае с первой игрой настройки сглаживания выставляются пресетами, про что я писал выше, то в Cyberpunk 2077 вообще нет настроек сглаживания. И при первой же попытке прогуглить всё становиться на свои места: настройки сглаживания можно изменять либо копаясь в конфигурационных файлах, либо устанавливая специальные моды. Так же как игра хороша в сюжетном плане, так же она проваливается в техническом.

Assassin's Creed Unity

Игра запускалась через Ubisoft Connect

Начнём с самой старой игры в данном списке, - Assassin's Creed Unity. Игра поддерживает 5 сглаживаний, которые реализованы через три различные технологии. И технология, которая выделяется из списка, это TXAA. Технология сглаживания, разработанная компанией Nvidia, которое представляет из себя прокаченный TAA. И для меня это самое интересное, ведь опираясь на технологии временного сглаживания, по заявлениям Nvidia, оно может обеспечивать качество сопоставимое с более требовательным MSAA. Не будем затягивать и перейдём к скриншотам:

А в плане FPS ситуация следующая:

Падение производительности указывается от настройки "Без АА"

Для меня очень интересно было сравнить TXAA с MSAA 4x, которые показывают одинаковую производительность, но вот в плане качества картинки различия есть. Рассмотрим их подробнее отдельно.

1. Ворота чётче при MSAA, так же ситуация с забором. На воротах при сильном увеличении можно даже разглядеть черты гербов. Этим же объектам TXAA добавляет размытия.
2. При включении MSAA на окнах появляются пиксели, при том что при других сглаживаниях нет такой проблемы. TXAA просто убирает часть лесенок.
3. TXAA cглаживает углы зданий, практически убирая лесенки. Трубы, которые немного выше, имеют чёткую ступень и немного пикселей по краям при MSAA, с TXAА они размываются, как и с воротами. 
4. Похожая ситуация и с Нотр-Дам-де-Пари, где при MSAA 4x лесенки и пиксельность внутри текстуры сохраняется, TXAA опять мылит текстуру, но лесенки и пиксели практически исчезают.

Тут уже каждый для себя может решить, что ему важнее, более чёткая картинка с пикселями или более мыльная картинка, но с меньшей пиксельностью. В целом, обратите внимание на то что при включении MSAA появляются пиксели, которых нет без AA, нет их и с FXAA или с TXAA. Скорее всего это проблема игры которую так и не поправили, ведь о техническом состоянии игры на старте говорили много, моё же мнение про игру в текущих реалиях можно посмотреть тут.

Так же Вы можете полистать картинки и поискать отличия и разницу для себя, и рассказать о ней, ведь я продемонстрировал далеко не все различия, и большей частью заострил внимание только на двух сглаживаниях.

Assassin's Creed Syndicate

Игра запускалась через EGS, но после запуска игра больше не требует его наличия в фоне, в следствии чего работал только Ubisoft Connect

Следом идёт Синдикат, который имеет уже не просто сглаживания, а комбинации методов. И самое главное, что объединяет все виды сглаживание между собой в данной игре, так это то что они задействуют FXAA. Так что различий между итоговыми изображениями будет меньше, ведь FXAA это постобработка. Да, я заикался что я не буду говорить про принципы работы сглаживаний, но с вашего позволения всё же пара слов об FXAA и почему тут разница может быть менее заметной. FXAA работает уже после построения кадра, на этапе постобработки. Данная технология ищет резкий переход между цветами и данное место размыливает. Таким образом постоянное использование FXAA будет размывать некоторые участки, где, в теории, могли быть различия в качестве.

FXAA это «лёгкое» сглаживание, а MSAA тяжелее TXAA, поэтому MSAA показывает кадров немного меньше, хотя качество графики меняется не сильно. Всё дело, как я уже отмечал, в постобработке. В принципе, искать отличия можно, мне бросилось в глаза некоторые детали заднего плана, такие как тросы на кораблях, которые выглядят чётче с мульти семплингом, ведь комбинация FXAA + TXAA создаёт замыливание немного больше. Похожая ситуация и с забором, который MSAA делает более чётким и выраженным. Но в целом картинки максимально похожи.

Rise of the Tomb Raider

Игра запускалась через EGS

Сибирская Лара не предлагает нам комбинаций, но в списке рассматриваемых сглаживаний новичок - SSAA, которое изначально рендерит картинку в более высоком разрешении и после «ужимает» до заданного разрешения. И это вроде как должно сделать картинку качественнее, но рендер в более высоком разрешении может ударить по кадровой частоте. Смотрим так ли это:

Очень хорошо следить за различиями между сглаживаниями можно по двум бочкам, железной слева и деревянной справа, а также по корпусам медеплавильного завода. Минимальное сглаживание уже позволяет избавиться от большинство лесенок. SMAA немного улучает восприятие, убирая часть мыла после FXAA. В целом, в данной игре сглаживания расположение по порядку, от менее требовательного, с наименьшей работой на кадром, к наиболее качественному и затратному.

SSAA привносит в кадр мелкие детали, что в частности можно заметить по деревянной стеночке у железной бочки, и за счёт виртуальных пикселей делает края текстур более качественными. Для этого используется, как уже я отметил, рендер в большем изначальном разрешении, которое для FHD составляет 2688x1512 пикселей при 2х (разрешение немного больше чем 2k, что даёт чуть больше 4 миллионов пикселей против ~2 миллиона у 1080р) и 3840x2160 с SSAA 4x (а это уже разрешение 4k на секундочку). Разумеется это всё влияет на общую детализацию, но и по кол-ву кадров в секунду можно заметить что это не проходит бесследно.

Shadow of the Tomb Raider

Игра запускалась через EGS

Следующая тётя Лариса, в отличии от других игр, не предлагает нам простейшего FXAA, но зато появляется новое сглаживание - TAA. Посмотрим что будет в итоге:

Один момент перед началом, - один из кустов на правом берегу не захотел отрисовываться, хотя до того как сделать скриншот, после каждого изменения настроек, я ждал минуты по 2. Это очень забавная ситуация, ведь если бы я рассматривал кадры прямо в игре, то я бы это заметил это и сменил положение героини. Данное состояние куста наблюдается только в данной позиции, если отойди от данного место хоть на сантиметр или прицелится, то куст обретает своё привычное состояние.

При этом основные отличия находятся в левой части кадра, вот места, к которым можно присмотреться:

Поручень на пирсе и нижняя доска, которая находится на уровне воды, при сглаживании теряет большую часть лесенок, хотя эти же самые сглаживания замыливают зазоры между досками. Так же при включении сглаживания пиксели и лесенки на крыше практически исчезают, хотя в разной степени всё же остаются. На лодке, под цифрой 3, при включении SMAA кол-во лесенок и неровностей минимизируется, использование других сглаживаний ещё сильнее уменьшает их количество. В случае с SMAA 4x это произошло из-за большей выборки пикселей, а SMAAT2x и TAA сделали это благодаря технологиям временного сглаживания.

Из менее интересного можно посмотреть на плакат справа сверху, который так же немного меняется. Без сглаживания его границы игра нам «строит» из лесенок, и даже минимальное сглаживание эти лесенки разбирает на запчасти, но вот с текстом интересней: при SMAA и без сглаживания надпись немного меньше. Обратите внимание на буквы "L", первая буква на плакате, и букву "D", первая буква третьего слова. Без AA или с SMAA данные буквы немного меньше, с другими сглаживаниями происходит «утолщение» этих букв, L-ка набирает немного с левой стороны, а D-шка практически закрывает дырку от бублика в середине и так же набирает в объёме.

Заместо итога

Сглаживание действительно влияет на восприятие картины и на производительность, как неожиданно. Если смотреть на сглаживание которое попалось в трёх играх, FXAA, то в среднем оно уменьшает производительность на 3%, что в большинстве даже не заметно. Но это если мы будем смотреть на кадровую частоту, картинку оно меняет, местами даже заметно. Лесенки и мелкие детали стараниями данной технологии заменяются на размытые текстуры. TAA, который правда попался только в одной из игр, так же размывает текстуры, но делает это более качественно, а если смотреть на его улучшенную версию, TXAA, то оно местами показывает себя ещё лучше. Временные сглаживания в принципе смотрятся достойно, ведь даже в DLSS 2.0 для построения кадров используются технологии временной реконструкции, так что не исключено что для этого специалисты из Nvidia подтянули какие-то наработки из TAA или TXAA.

Если же мы будем смотреть на самые требовательные сглаживания, то всё тоже более-менее логично: самое требовательное сглаживание из предложенных это SSAA 4x, на втором месте MSAA 8x, которые отбирают у пользователей 57 и 51,5% производительности. В первом случае это обусловлено рендером всего кадра в разрешении 3840×2160, а второй метод создаёт картинку уже в 8 раз больше исходной, но не на всей площади кадра, а только на границах объектов. И там и там такие требования к железу вполне объяснимы. 

Качество картинки. Тут уже сложнее, ибо восприятие картинки для каждого своё, и помимо очевидного, убирания лесенок, некоторые изменения воспринимаются по разному. В частности, я знаю достаточно людей которые предпочитают играть без всякого сглаживания, нежили ставить FXAA, я же не против небольшого мыла и спокойно могу выставить FXAA или же, если есть, разновидности TAA. Вернёмся к перовой игре, где у нас есть выбор: пиксильность с MSAA или размытие с TXAA, в это ситуации я бы предпочёл TXAA и не переживал бы по поводу размытия гербов на воротах в дали. Единственная игра, где разница для меня была минимальной, это Assassins Creed Syndicate, где большинство различий между MSAA и TXAA, как в Единстве, съедает постобработка в лице FXAA. И в данной ситуации я бы выбирал сглаживание которое меньше сажает FPS.

Однако данный тест нельзя назвать полностью объективным. Дело в том что изначально я тестировал Shadow of the Tomb Raider в другой локации, но после небольшой технической накладки, о которой дальше, я начал делать перетест. И в результате перетеста в другой локации, в картинке появились отличия, которые можно заметить без лупы. До этого тесты, которые я делал в скрытой деревне, показывали различия в кадровой частоте, но не в картинке. Какой из этого можно сделать вывод? Вполне очевидный: в игре есть локации которые не сильно меняются при включении сглаживания. На это может влиять дальность на которой подгружаются текстуры высокого разрешения, от дальности отрисовки мелкий деталей... Часть параметров разработчики могут специально занижать, дабы их продукт запускался на большем количестве систем. Например на консолях разработчики очень часто снижают различные параметры, в частности буфер альфа канала, что позволяло на консолях прошлого отрисовывать в сцене меньше частиц и полупрозрачных элементов, а уже это положительно сказывается на стабильности работы.

Так что подобрать локацию для действительно объективного теста очень сложно, я пытался подобрать сцены где есть множество деталей, которые, даже в теории, могут отличаться. Так что, вполне возможно, если побегать по карте Синдиката ещё, то можно найти сцену где различия будут заметные.

Но этот тест я сделал не для того чтобы искать различия в графике, это больше побочный результат. Я могу поиграть в пиксельный рогалик, такой как «Loop Hero» или «Vampire Survivors», песочницу «Teardown», приключение «LumbearJack» или логическую игру «Papers, Please». Да мне кажется что во всех перечисленных играх полигонов меньше чем у модели какого-нибудь главного героя в современной ААА игре. Для меня на первое место выходит вопрос производительности, ведь с лесенками смириться можно, а вот с кисельностью управления и нестабильным ферйм таймом уже сложнее. Так же я хотел понять в какую сторону вообще дует ветер в данном вопросе.

И вот это вопрос поинтересней, ибо на примере 4 игр из двух франшиз я кое-что смог заметить. А вы заметили некую тенденцию? В первых частях были обыкновенные сглаживания, во второй части ассасинов пошли комбинации методов. Вторая же часть Лары пошла дальше, - появилась не только комбинация сглаживаний, но также отказались от FXAA в пользу ТАА. Syndicate вышел одновременно с Rise, Shadow вышла на три года позже. И к моменту выхода Shadow, в 2018 году, в ассасинах уже применялись технологии временной реконструкции, опять же вспоминаем отчёт DF в начале материала. Из этого можно сделать вывод что это тенденции индустрии в целом, сначала обыкновенные сглаживания, после чего последовал отказ от традиционных технологий в пользу комбинаций, за этим начался переход к “временным” технологиям (сглаживанию и реконструкции). Моя ставка что традиционные сглаживания и дальше будут заменяться на новые технологии, разве что некоторые разработчики будут писать что применяется в их игре. Как я отмечал комбинации методов применяются всё чаще, всё сильнее приживаются технологии апскейла и реконструкции кадров… Так что я не исключаю что через некоторое время такой старинный параметр, как сглаживание, может вовсе отойти на второй план.

Одним из фактов, который говорит в пользу данной теории, является вот такой немного странный пример. Думаю что большинство знают, ну или точно слышали, про DLSS (Deep Learning super sampling, суперсэмплирование на основе глубокого обучения), умное сглаживание и масштабирование разработанное компанией Nvidia, но кто-то ещё помнит про DLAA (Deep Learning anti-aliasing, сглаживание на основе глубокого обучения)? Это очень похожие технологии, но в отличии от DLSS, DLАА не прибегает к реконструкции кадров и работает с исходным разрешением. В скольких играх Вы видели данную настройку? Жива ли данная технология вообще? Возможно прирост от данной технологии оказывается не таким большим как от DLSS, может внедрять сложнее, или в раскрутку данной технологии Nvidia не вливает столько же средств как в DLSS… Как бы то не было игроделам гораздо интересней использовать DLSS, что, помимо всего прочего, позволит попасть в рекламные материалы Nvidia и дополнительно пропирится.

А теперь о технической накладке, которая натолкнула на размышления о том, во что действительно упирается система? В момент тестов Лары MSI Afterburner показывал упор в ГПУ, частоты которого не поднимались выше 1800 МГц, хотя карта может буститься до 2 ГГц. И после некоторых экспериментов выяснилось что предел потребления видеокартой (Power Limit) после какого-то обновления урезался до 70%, толи драйвер так захотел, толи обновление Afterburner пошалить решило. После того как значение было возвращено на 100% в тех же самых тестах карта стала брать доступные её 1995 МГц, а загрузка ГПУ осталось на уровне 100%. И после этого пришлось делать перетест с видеокартой работающей на максимум.

Так что иногда загрузка какого-то компонента на 100% не обозначает его реальную загрузку на эти 100%, возможно где-то есть другой ограничивающий фактор. В данном случае это предел потребления, может случиться что процессору не хватает данных и пока он их ждёт система не работает на максимум, а загрузка то 100%, ведь задача стоит. Может такое случиться что переполнен видеобуфер, а в системе медленная ОЗУ или забита шина PCI-e,  а может процессор занят другими задачами, из-за чего он вовремя не может доставить данные из RAM в VRAM. И из-за всего этого видеокарта простаивает и сажает производительность, хотя загрузка так же будет в 100%.