标签：各向异性过滤
本文主要整理简绍来自互联网的各项异性滤波的知识。
原文链接：http://www.linuxgraphics.cn/graphics/using_anisotropic_texture_filtering_in_opengl.html
纹理是数据的简单矩阵排列——例如，颜色数据、亮度数据或者颜色和alpha（透明度）数据。纹理数组中的每一个独立的数值通常称为一个纹理单元。纹理映射是一种将纹理图像应用于物体表面的技术（就是把图像贴到构成物体表面的多边形上去），就像该图像是一种贴画纸或玻璃纸附着于物体的表面上。
那么什么是纹理过滤呢？当三维空间里面的多边形经过坐标变换、投影、光栅化等过程，变成二维屏幕上的一组象素的时候，对每个象素需要到相应纹理图像中进行采样，这个过程就称为纹理过滤。
纹理过滤通常分为2种情况：
通常的纹理过滤的方法有2种：线性过滤和三线性过滤。也可以设置不进行任何过滤操作。（OpenGL允许为上面两种情况分别设置不同的过滤方法）
各异向性纹理过滤不是单独使用而是和前面所述的其他过滤方法结合一起使用的。
假设Px为纹理在x坐标方向上的缩放的比例因子；Py为纹理在y坐标方向上的缩放的比例因子；Pmax为Px和Py中的最大值；Pmin为Px和Py中的最小值。当Pmax/Pmin等于1时，也就是说Px等于Py，纹理的缩放是各同向的；但是如果Pmax/Pmin不等于1而是大于1，Px不等于Py，也就是说纹理在x坐标方向和在y坐标方向缩放的比例不一样，纹理的缩放是各异向的，Pmax/Pmin代表了各异向的程度。
举个例子来说，64 x 64的纹理贴到一个开始平行于xy平面的正方形上，但是正方形绕y轴旋转60度，最后投影到屏幕上占了16 x 32的象素矩阵。纹理在x坐标方向上缩放的比例因子为64/16等于4，在y坐标方向缩放的比例因子为64/32等于2，Pmax等于4，Pmin等于2。缩放的各异向程度为2。当把各异向性过滤和线性过滤结合起来的时候，应该是对最接近象素的4 x 2的纹理单元矩阵采样才合理，因为一个象素在x坐标方向上对应了更多的纹理单元（Px > Py）。即使是纹理在一个轴方向上缩小而在另一个轴方向上放大，处理的过程也是一样的（注意的是如果纹理在一个轴方向上缩小而在另一个轴方向上放大，OpenGL仍然把它当作是纹理被缩小的情况，将采用为纹理缩小情况设置的过滤方法为基本过滤方法，然后再加上各异向性过滤）。假设被贴图的正方形最后在屏幕上占了一个128 x 32 的象素矩阵，纹理在x坐标方向上缩放的比例因子为64/128等于0.5，在y坐标方向缩放的比例因子为64/32等于2，由于Py > Px 且 Pmax/Pmin等于4，所以当把各异向性过滤和线性过滤结合起来的时候，应该对最接近象素的2 x 8的纹理单元矩阵进行采样。三线性过滤和各异向性过滤结合的过滤方法的步骤跟前面单独的三线性过滤方法大致是一样的，只是前面两步采用了各异向性过滤和线性过滤结合的方法。
通常情况下采取线性过滤或者三线性过滤就可以得不错的效果，但是在某些特殊的情况下，特别是把一个都是线状条纹的纹理图贴到一个绕x或者是y轴旋转角度很大的多边形上的时候，比如将人的头发纹理贴到构成人的头顶的多边形，即使是三线性过滤的效果也不能令人满意，只有将各异向过滤方法和三线性过滤或者线性过滤的方法结合起来才能得到完美的效果。
在OpenGL里面使用各异向性纹理过滤首先要系统运行的OpenGL实现支持EXT_texture_filter_anisotropic 这个OpenGL扩展。
OpenGL里面的各异向性纹理过滤的参数设置是独立于纹理缩小和放大这两种情况的，也就是说不需要为这两种情况进行分别设置。参数设置十分简单，只有一个参数就是最大各异向程度（TEXTURE_MAX_ANISOTROPY_EXT）。因为纹理缩放的各异向程度越大，就需要对更多的纹理单元进行采样，这样在处理速度上是不可接受的，所以必须设置一个最大各异向程度，当OpenGL进行各异向性过滤的时候，采用的各异向程度参数为纹理缩放的各异向程度和最大各异向程度之间的最小值，也就是说当纹理缩放的各异向程度大于设置的最大各异向程度时，将使用设置的最大各异向程度作为过滤使用的参数。显然可见，当该参数设置为1的时候就是不进行各异向性过滤，1也是OpenGL为这个参数设定的缺省设置。另外还可以通过查询MAX_TEXTURE_MAX_ANISOTROPY_EXT获得该OpenGL实现支持的最大各异向程度。
下面是使用各异向性纹理过滤的示例代码：
glGenTextures(1, &texture_id));
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture_id);
//Create a 2D texture with Mipmap
gluBuild2DMipmaps(GL_TEXTURE_2D, GL_RGB, m_width, m_height, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, image_data);
//获得运行的 Opengl 实现支持的最大各异向程度.
GLfloat largest_supported_anisotropic;
glGetFloatv(GL_MAX_TEXTURE_MAX_ANISOTROPY_EXT, &largest_supported_anisotropic);
//设置纹理缩小时采用的过滤方法，这里设置的是三线性过滤
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);
//设置纹理放大时采用的过滤方法，这里设置的是线性过滤
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
//用 OpenGL 实现支持的最大各异向程度设置最大各异向程度参数
glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAX_ANISOTROPY_EXT, largest_supported_anisotropic);
各向异性过滤让表面倾斜物体纹理更加清晰锐利同时看上去很密集，透明度又让密集的纹理变得模糊平缓。
1、 为什么在纹理采样时需要texture filter（纹理过滤）。
我们的纹理是要贴到三维图形表面的，而三维图形上的pixel中心和纹理上的texel中心并不一至（pixel不一定对应texture上的采样中心texel），大小也不一定一至。当纹理大于三维图形表面时，导至一个像素被映射到许多纹理像素上;当维理小于三维图形表面时，许多个象素都映射到同一纹理。
当这些情况发生时，贴图就会变得模糊或发生错位，马赛克。要解决此类问题，必须通过技术平滑texel和pixel之间的对应。这种技术就是纹理滤波。
不同的过滤模式，计算复杂度不一样，会得到不同的效果。过滤模式由简单到复杂包括：Nearest Point Sampling（最近点采样），Bilinear（双线性过滤）、Trilinear（三线性过滤）、Anisotropic Filtering（各向异性过滤）。
在了解这些之前，有必要了解什么是MipMap和什么时各向同性，各向异性。
2、 什么是MipMap?
Mipmap由Lance Williams 在1983的一篇文章“Pyramidal parametrics”中提出。Wiki中有很详细的介绍( http://en.wikipedia.org/wiki/Mipmap ) . 比如一张256X256的图，在长和宽方向每次减少一倍，生成：128X128,64X64,32X32,16X16,8X8,4X4,2X2,1X1，八张图，组成MipMap,如下图示。
Mipmap早已被硬件支持，硬件会自动为创建的Texture生成mipmap的各级。在D3D的API：CreateTexture中有一个参数levels，就是用于指定生成mipmap到哪个级别，当不指定时就一直生成到1X1。
3、 什么是各向同性和各向异性？
当需要贴图的三维表面平行于屏幕(viewport)，则是各向同性的。当要贴图的三维表面与屏幕有一定角度的倾斜，则是各向异性的。
也可以这样理解，当一个texture贴到三维表面上从Camera看来没有变形，投射到屏幕空间中后U方向和V方向比例仍然是一样的，便可以理解成各向同性。反之则认为是各向异性。
4、 Nearest Point Sampling（最近点采样）
这个最简单，每个像素的纹理坐标，并不是刚好对应Texture上的一个采样点texel，怎么办呢？最近点采样取最接近的texel进行采样。
当纹理的大小与贴图的三维图形的大小差不多时，这种方法非常有效和快捷。如果大小不同，纹理就需要进行放大或缩小，这样，结果就会变得矮胖、变形或模糊。
5、 Bilinear（双线性过滤）
双线性过滤以pixel对应的纹理坐标为中心，采该纹理坐标周围4个texel的像素，再取平均，以平均值作为采样值。
双线性过滤像素之间的过渡更加平滑，但是它只作用于一个MipMap Level,它选取texel和pixel之间大小最接近的那一层MipMap进行采样。当和pixel大小匹配的texel大小在两层Mipmap level之间时，双线性过滤在有些情况效果就不太好。于是就有了三线性过滤。
6、 Trilinear（三线性过滤）
三线性过滤以双线性过滤为基础。会对pixel大小与texel大小最接近的两层Mipmap level分别进行双线性过滤，然后再对两层得到的结果进生线性插值。
三线性过滤在一般情况下效果非常理想了。但是到目前为止，我们均是假设是texture投射到屏幕空间是各向同性的。但是当各向异性的情况时，效果仍然不理想，于是产生了Anisotropic Filtering（各向异性过滤）。
7、 Anisotropic Filtering（各向异性过滤）
各向同性的过滤在采样的时候，是对正方形区域里行采样。各向异性过滤把纹理与屏幕空间的角度这个因素考虑时去。简单地说，它会考滤一个pixel(x:y=1:1)对应到纹理空间中在u和v方向上u和v的比例关系，当u:v不是1:1时，将会按比例在各方向上采样不同数量的点来计算最终的结果(这时采样就有可能是长方形区域)。
我们一般指的Anisotropic Filtering(AF)均是基于三线过滤的Anisotropic Filtering，因此当u:v不为1:1时，则Anisotropic Filtering比Trilinear需要采样更多的点，具体要采多少，取决于是多少X的AF,现在的显卡最多技持到16X AF。
当开启16X AF的时候，硬件并不是对所有的texture采样都用16X AF，而是需要先计算屏幕空间与纹理空间的夹角(量化后便是上面所说的u:v)，只有当夹角大到需要16X时，才会真正使用16X.
如果想了解AF的实现原理，可以查阅此篇Paper: “Implementing an anisotropic texture filter”. 现在AF都是硬件实现，因此只有少数人才清楚AF就尽是怎样实现了（其实细节我也没搞清楚），其实完全可以由Pixel Shader来实现AF，当然性能和由硬件做是没得比的。
8、 各过滤模式性能比较。
下表是各种过滤模式采一个pixel需要sample的次数：
|
|
Sample Number |
|
Nearest Point Sampling |
1 |
|
Bilinear |
4 |
|
Trilinear |
8 |
|
Anisotropic Filtering 4X |
32 |
|
Anisotropic Filtering 16X |
128 |
4X是三次过滤的四倍，是以三次过滤为基准进行比较的。
Anisotropic Filtering 16X效果最好，但是显卡Performance会下降很多，当然也是测试你手中显卡Texture Unit的好方法。如果你觉得你的显卡够牛，那么就把AA和AF都打到最高再试试吧：）
各项异性滤波简介Anisotropic Filtering(AF)
标签：各向异性过滤
原文地址：http://blog.csdn.net/u013467442/article/details/44466069
