Comprendre l'anti-aliasing : 6 types et méthodes pour lisser les images numériques

Pour comprendre l'anti-aliasing, il faut d'abord saisir le concept d'aliasing.

Vous avez sans doute vu des bords pixelisés ou en escalier sur votre écran en regardant des vidéos ou jouant. Ces « jaggies » (crénelures) sont l'aliasing. Ils dégradent l'expérience visuelle.

Pourquoi l'aliasing se produit-il ?

Les images à l'écran sont composées de minuscules carrés : les pixels. Chaque pixel, plus petit élément contrôlable d'une image, a sa propre intensité et couleur. Les lignes verticales et horizontales s'alignent parfaitement sur les pixels carrés, mais les lignes courbes ou diagonales doivent être ajustées point par point. Quand les pixels le long du bord sont soit allumés soit éteints, cela crée des bords crénelés (aliasing ou effet d'escalier).

La solution évidente serait d'augmenter la résolution de l'écran, mais tout le monde ne peut pas s'offrir un moniteur haut de gamme. C'est pourquoi les ingénieurs ont développé plusieurs techniques pour réduire l'impact des crénelures. L'une des plus efficaces : l'anti-aliasing.

Qu'est-ce que l'anti-aliasing ?

L'anti-aliasing est une technique qui fusionne les bords des pixels avec les pixels environnants pour créer l'illusion d'un bord plus lisse. Pas si simple : vous demandez à votre ordinateur de traiter des millions de pixels par image et de lisser les bords.

Le CPU/GPU lisse les bords en ajustant les couleurs le long de tous les contours. Au lieu d'allumer ou éteindre un pixel, le processeur le place dans un état intermédiaire. Exemple : une ligne diagonale blanche sur fond noir aura des nuances de gris clair et foncé le long des bords, au lieu de blanc et noir purs.

Image zoomée : ligne avec aliasing vs anti-aliasing

Les algorithmes d'anti-aliasing sont conçus pour que les images numériques paraissent naturelles à distance de visualisation normale. Zoomées, les images et textes anti-aliassés semblent flous à cause des pixels ajustés.

Outre la photographie numérique et l'infographie, l'anti-aliasing est aussi utilisé en audio numérique (pour supprimer les fréquences indésirables de l'audio échantillonné). Cet article se concentre sur le visuel.

Les crénelures sont peu visibles sur les écrans HiDPI (haute densité de pixels) modernes grâce à leurs grilles de pixels plus denses. Pourtant, même ces écrans haute résolution bénéficient de l'anti-aliasing.

Il existe différents types de techniques d'anti-aliasing pour améliorer l'expérience visuelle et de jeu. Chacun a ses avantages et inconvénients. Examinons les huit plus populaires en détail.

1. SSAA (Supersampling Anti-Aliasing)

Avant (gauche) et après (droite) application du SSAA

Qualité d'image exceptionnelle mais performance fortement dégradée

Également appelé FSAA (Full-Scene Anti-Aliasing), le SSAA est l'une des plus anciennes et efficaces techniques spatiales. Idéal pour images photoréalistes : aspect plus doux, plus réaliste.

L'image est rendue à une résolution bien supérieure. Des échantillons de couleur sont prélevés sur les pixels excédentaires (absents de l'image basse résolution), et la valeur moyenne de couleur est calculée.

Quand l'image est réduite, cette valeur moyenne est appliquée pour éliminer les crénelures. Résultat : image sous-échantillonnée avec transitions beaucoup plus douces. La qualité dépend du nombre d'échantillons : plus il y en a, meilleure est la qualité.

Mais cette technique dégrade les performances : le rendu haute résolution consomme énormément de ressources. C'est pourquoi elle est peu utilisée dans le jeu moderne.

Autre inconvénient : elle affecte négativement les images avec beaucoup de lignes verticales/horizontales. Ces lignes (nettement définies par nature) apparaissent floues après traitement.

2. MSAA (Multisample Anti-Aliasing)

Source : Nvidia

Moins de ressources calculatoires mais qualité d'image inférieure

Le MSAA est un cas particulier de supersampling où certains composants de l'image ne sont pas entièrement suréchantillonnés. Seuls les bords des polygones (source principale d'aliasing en 3D) sont anti-aliassés. Les textures ne sont pas lissées.

Plus précisément : lors du rendu, le CPU/GPU distingue deux composants : polygone et texture. Il dessine d'abord la forme générale (polygone), puis la remplit de texture. Le MSAA ne corrige les crénelures que sur le polygone, laissant les textures intactes.

Ne traitant pas toute l'image finale, le MSAA est plus efficace et demande moins de ressources que le SSAA. Mais il produit une qualité relativement inférieure et ne gère pas les transparences.

3 & 4. CSAA (Coverage Sampling AA) & EQAA (Enhanced Quality AA)

MSAA (gauche) vs CSAA (droite) [résolution de bord plus serrée en CSAA]

Meilleure qualité avec impact performance minimal

AMD et NVIDIA ont développé leurs propres méthodes spatiales. NVIDIA a créé le CSAA, AMD l'EQAA. Noms différents, fonctionnement similaire.

Dans les deux, le GPU identifie le polygone et calcule quelles régions auront probablement des crénelures. Il suréchantillonne uniquement ces pixels.

L'image entière n'étant pas traitée, le GPU consomme substantiellement moins de puissance. De plus, CSAA et EQAA n'exigent pas d'échantillons couleur/profondeur/stencil supplémentaires. Ils consomment la même mémoire vidéo que le MSAA (mode équivalent).

5 & 6. MLAA (Morphological AA) & FXAA (Fast Approximate AA)

Implémentation FXAA (processus étape par étape) | Crédit : NVIDIA

Rapide, peu gourmand en ressources, mais inadapté aux images aux textures détaillées

NVIDIA et AMD ont développé deux techniques d'anti-aliasing en post-traitement : FXAA et MLAA. Les deux fonctionnent de la même façon — le pixel est flouté après le rendu.

En post-traitement, le GPU compare le contraste de couleur entre deux pixels adjacents pour détecter le bord d'un polygone. Pixels de couleur/intensité similaires = même polygone. Bord détecté → floutage proportionnel au contraste.

Contrairement au MSAA (inefficace pour le rendu différé), MLAA et FXAA détectent précisément les bordures et localisent des motifs spécifiques. Très rapides, moins gourmands que les méthodes spatiales. Le « floutage » s'avère efficace pour supprimer le contraste brutal entre pixels mal alignés causant les crénelures. Mais le flou se voit facilement sur images avec éclairage dynamique et textures détaillées.

7. SMAA (Enhanced Subpixel Morphological Anti-Aliasing)

Exemple SMAA 4x intégré dans Crysis 2

Combine méthodes spatiales et post-traitement

Cette technique de post-traitement combine l'anti-aliasing morphologique (MLAA) avec des stratégies multi/supersampling (MSAA, SSAA) pour des caractéristiques de sous-pixel précises.

SMAA offre une meilleure qualité d'image avec des temps d'exécution exceptionnellement rapides. Plus précisément : gradients très précis, stabilité temporelle, surcoût minimal. Choix privilégié pour configurations modestes.

8. TXAA (Temporal Anti-Aliasing)

Meilleure qualité que FXAA/MLAA mais bien plus gourmand en ressources

Cette méthode complexe utilise à la fois floutage et supersampling pour des graphismes nets et des mouvements fluides. Vise à maintenir un niveau de mouvement lisse en environnement virtuel.

Récemment, des chercheurs ont développé l'ATAA (Adaptive Temporal AA) corrigeant les défauts du TXAA : élimine flou et artefacts de « ghosting » sans coup de performance significatif. Résultats proches du supersampling 16x.

Quelle méthode d'anti-aliasing choisir ?

Si vous connaissez bien votre matériel et le niveau de performance souhaité, le choix sera plus facile.

Ces questions vous guideront :

• Quelles sont les spécifications de votre GPU ?
• Vos jeux sont-ils lourds ou peu exigeants graphiquement ?
• Quelles fonctionnalités graphiques voulez-vous parfaites, et lesquelles vous importent moins ?

Matériel haut de gamme : SSAA, MSAA, TXAA.
Matériel moyen : MSAA, FXAA, MLAA.
Matériel entrée de gamme (faible FPS, surchauffe) : CSAA ou SMAA.

Vous pouvez aussi expérimenter vos paramètres graphiques pour découvrir les capacités de votre CPU/GPU. Des dizaines de paramètres à ajuster : résolution, qualité ombres, champ de vision, distance de vue, textures, filtrage anisotrope.

Conseil : commencez par la configuration la plus basse, puis montez progressivement. Fastidieux, mais méthode la plus simple pour trouver le meilleur équilibre sur votre machine.

Cependant, vu les avancées récentes des GPU et des technologies d'affichage, l'anti-aliasing devient moins crucial. Les jeux modernes et images ultra-haute résolution n'en ont souvent plus besoin.

Reste qu'il est bon de connaître les différents types d'anti-aliasing pour prendre des décisions éclairées sur l'équilibre visuels/performances de votre prochain PC. Utile aussi pour le montage vidéo pro ou le développement de jeux.