アンチエイリアシング

PyVistaでアンチエイリアシングのデモを行います．

PyVistaは，3種類のアンチエイリアスをサポートしています:

• SSAA - スーパーサンプリングアンチエイリアシング

• MSAA - マルチサンプルアンチエイリアシング

• FXAA - 高速近似アンチエイリアシング

デフォルトでは，MSAAアンチエイリアスは8サンプルを使用して有効になっています．これはVTKのデフォルトです．

>>> import pyvista as pv
>>> pv.global_theme.multi_samples
8

SSAAまたはFXAAを有効にすることで，追加のラインスムージングを有効にできます．

どのようなアンチエイリアシング技術を使うべきでしょうか？

通常，デフォルトのMSAAアンチエイリアスは，効率と品質のバランスを取るため，十分であるべきです．さらにスムージングをかけたい場合は， multi_samples の数を増やすか，SSAAを使用します．ローエンドのPCはFXAAを検討してください．

import pyvista as pv

mesh = pv.Icosphere()

アンチエイリアシングなし

まず，アンチエイリアスを一切かけないプロットを表示してみましょう．

pl = pv.Plotter()
pl.add_mesh(mesh, style='wireframe', color='k', line_width=2)
pl.disable_anti_aliasing()
pl.camera.zoom(1.5)
pl.show()

デフォルト: マルチサンプルアンチエイリアシング(MSAA)

次に，デフォルトのアンチエイリアス設定を示します．デフォルトでは，PyVistaは8サンプルのMSAAを使用します．

MSAAまたはマルチサンプルアンチエイリアスは，SSAAの最適化で，シーンの重複する領域に焦点を当てることで，計算が必要なピクセルシェーダーの評価量を削減します．その結果，エッジに沿ったアンチエイリアシングはSSAAと同等になり，サーフェスに沿ったアンチエイリアシングはSSAAの計算の大部分を占めるため，より少なくなります．MSAAはSSAAに比べ大幅に計算量が少なく，同等の画質が得られます．

pl = pv.Plotter()
pl.add_mesh(mesh, style='wireframe', color='k', line_width=2)
pl.camera.zoom(1.5)
pl.show()

multi_samples を増やすことで，平滑度を上げることができます．

pl = pv.Plotter()
pl.add_mesh(mesh, style='wireframe', color='k', line_width=2)
pl.enable_anti_aliasing('msaa', multi_samples=16)
pl.camera.zoom(1.5)
pl.show()

高速近似アンチエイリアシング (FXAA)

FXAAは，3つのアンチエイリアシング技術の中で最もパフォーマンスが高い技術です．これは，ハードウェアやGPUの観点から，FXAAがそれほど要求されないためです．2D画像を直接平滑化するので，GPUへの負担が少なく，ローエンドのPCに最適です．

FXAAはレンダリング画像に対してのみ動作するため，通常は鮮明さを保つためにシャープにされているビジュアルオーバーレイの一部が滑らかになったり，テクスチャが滑らかになったりすることがあります．一般的に，FXAA は MSAA や SSAA よりも劣ります．

一貫性を保つために，線幅が調整されていることに注目してください．

pl = pv.Plotter()
pl.add_mesh(mesh, style='wireframe', color='k', line_width=1.5)
pl.camera.zoom(1.5)
pl.enable_anti_aliasing('fxaa')
pl.show()

スーパーサンプルアンチエイリアシング(SSAA)

SSAAまたはスーパーサンプルアンチエイリアシングは，アンチエイリアシングのブルートフォース当り方式です．最高の画質が得られますが，膨大なリソースコストがかかります．SSAAは，シーンをより高い解像度でレンダリングすることで機能します．最終的な画像は，平均化フィルタを使用して巨大なソース画像をダウンサンプリングすることによって生成されます．これはローパスフィルタとして機能し，ギザギザの原因となる高周波成分を除去します．

一貫性を保つために，線幅が調整されていることに注目してください．

pl = pv.Plotter()
pl.add_mesh(mesh, style='wireframe', color='k', line_width=4)
pl.camera.zoom(1.5)
pl.enable_anti_aliasing('ssaa')
pl.show()

レンダリング時間を比較する

各アンチエイリアシングアプローチのレンダリングにかかる時間は，以下で比較できます:

n_render = 100
for anti_aliasing in [False, 'fxaa', 'msaa', 'ssaa']:

    pl = pv.Plotter(off_screen=True)
    pl.add_mesh(mesh, style='wireframe', color='k', line_width=4)
    pl.camera.zoom(1.5)
    if anti_aliasing:
        pl.enable_anti_aliasing(anti_aliasing)
    else:
        pl.disable_anti_aliasing()
    pl.show(auto_close=False)
    tstart = time.time()
    # repeately trigger a render via saving a screenshot
    for __ in range(n_render):
        pl.screenshot('tmp.png')
    telap = (time.time() - tstart)/n_render

    print(f'Render time for {str(anti_aliasing):6}: {telap*1000:.3f} ms')

以下は，NVIDIA Quadro P2000とIntel(R) Xeon(R) E-2288G CPU @ 3.70GHzの計時です:

Render time for False : 37.045 ms
Render time for fxaa  : 40.458 ms
Render time for msaa  : 42.566 ms
Render time for ssaa  : 51.450 ms