09. 抗锯齿

本篇位置：模块二 · 第 9 篇 ｜ 前置：阴影 ｜ 预计阅读：30 分钟

你已经在用它了

RenderEngine 创建离屏渲染目标时，采样数写死成 1（libs/renderengine/skia/compat/GaneshGpuContext.cpp）：

sk_sp<SkSurface> GaneshGpuContext::createRenderTarget(SkImageInfo imageInfo) {
    constexpr int kSampleCount = 1; // enable AA
    constexpr SkSurfaceProps* kProps = nullptr;
    constexpr bool kMipmapped = false;
    return SkSurfaces::RenderTarget(mGrContext.get(), skgpu::Budgeted::kNo, imageInfo, kSampleCount,
                                    kTopLeft_GrSurfaceOrigin, kProps, kMipmapped,
                                    mGrContext->supportsProtectedContent());
}

而真正画图层的地方，抗锯齿是看情况开的（libs/renderengine/skia/SkiaRenderEngine.cpp，已删去厂商定制分支）：

} else if (!bounds.isRect()) {
    paint.setAntiAlias(true);
    canvas->drawRRect(bounds, paint);
} else {
    canvas->drawRect(bounds.rect(), paint);
}

三个问题：

1. 为什么普通矩形不开抗锯齿，圆角矩形就要开？ 差别到底在哪？
2. 采样数写死成 1，注释却写着 enable AA。 不多采几个点，锯齿是怎么消掉的？
3. 游戏里说的 MSAA、TAA，和这个 setAntiAlias(true) 是一回事吗？

第 2 个问题是这一篇的枢纽——它逼你承认，"抗锯齿"底下藏着好几条完全不同的技术路线。

学完你会什么

• 说清几何锯齿和 M1 第 7 篇讲的纹理走样是两种不同的问题，以及为什么前者没法靠"先低通"根治。
• 说清覆盖率是什么，为什么它是所有抗锯齿方案的公共分母。
• 分清四条路线（多采样、解析覆盖率、后处理、时域），说出每条在管线的哪一步下手。
• 说清 MSAA 凭什么比 SSAA 便宜，以及它在手机上为什么反而更划算。
• 说清 TAA 拿什么换了什么。

坐标约定：本篇用图像坐标——原点左上、$+X$ 向右、$+Y$ 向下。

1. 这和 M1 讲的走样不是同一件事

M1 第 7 篇讲过走样：信号里有超过一半采样率的高频，它们会折叠成假的低频，于是有了摩尔纹。那一篇也给了解法——采样前先低通，mipmap 就是把低通预先算好。

几何边缘的锯齿看起来很像，成因却不同。

一条三角形的边把像素分成"里"和"外"。沿着某条扫描线看过去，"这个位置属不属于三角形"这个函数长这样：$0,0,0,\dots,1,1,1$——一个阶跃。

阶跃有个要命的性质：它的频谱是无限宽的。无论采样率提到多高，总有超出一半采样率的高频成分留在那里。

直觉版：低通滤波是"把变化抹平"。可边缘的本质就是那个突变——把它抹平，边缘就没了。你没法既保留一条清晰的边界，又让它不含高频。

这带来一个必须接受的结论：

	纹理走样（M1 第 7 篇）	几何锯齿（本篇）
信号是什么	纹理图案，带宽有限	覆盖函数，是个阶跃，带宽无限
能根治吗	能。先低通再采样，mipmap 预先算好	不能，只能逼近
提高采样率有用吗	到某个点之后就够了	永远有残留，只是越来越不明显

所以这一篇讲的全部是"怎么逼近得更划算"，没有一个方案能把锯齿彻底消掉。这不是工程没做好，是问题本身的性质。

2. 覆盖率：所有方案的公共分母

先把"锯齿到底是什么"说准。

关键的一步是别再把像素当成点。像素是屏幕上一个有面积的小方块。一条边穿过它时，它被盖住的是一部分——这个比例叫覆盖率（coverage），记作 $\alpha \in [0, 1]$。

这个像素理应显示的颜色是：

$$C = \alpha \cdot C_{\text{图形}} + (1 - \alpha) \cdot C_{\text{背景}}$$

锯齿的定义就是：把 $\alpha$ 强行取整成 0 或 1。

图：同一条边穿过 8×8 的像素网格。左边把覆盖率取整（过半算 1，否则算 0），边缘成了台阶。右边按真实覆盖率混色，边缘成了一条渐变带。被框住那格实际只盖住 70%，左边却把它画成了满格。

这张图里，17.2% 的像素覆盖率是小数——正是这些像素决定了边缘看起来是毛的还是顺的。

注意上面那个公式的形状：它和你熟的 alpha 混合（第 6 篇）长得一模一样。区别在于 $\alpha$ 的来源——混合的 $\alpha$ 来自素材本身的透明度，这里的 $\alpha$ 来自几何覆盖了多少面积。同一个方程，两种含义。抗锯齿之所以能和半透明配合得这么自然，根子就在这儿。

3. 回答第一个问题：矩形凭什么不用

现在看那个 if。

图左：一个边界正好压在像素边界上的轴对齐矩形，0.0% 的像素覆盖率是小数——每个像素要么全被盖住、要么完全没有。图右：同样大小加上圆角，18.8% 的像素覆盖率变成了小数。被框住那格盖住 55%。

答案藏在"边的方向"里。

轴对齐矩形的四条边都平行于像素网格。沿着任何一条边走过去，每个像素的覆盖率都是同一个值——不会一格 30%、下一格 70%。没有起伏，就没有台阶，也就没有锯齿。

图里那个矩形的边界还正好落在整数像素上，于是更极端：覆盖率干脆非 0 即 1（0.0% 的像素是小数），"取整"这个动作不丢任何信息，开不开抗锯齿结果逐位相同。这也是合成器里最常见的情形——图层的位置和尺寸通常就是整数像素。

圆角完全不同。那段圆弧斜穿过一片像素，覆盖率沿着边缘一路变化（55%、然后是别的值……），取整就把这条连续变化的边压成了一串台阶。

所以这个 if 不是性能调优，是逻辑上的精确判断：对轴对齐矩形，抗锯齿是纯粹的浪费；对圆角，它是正确性的一部分。

那图层被旋转了呢？

先说清一件容易看错的事：bounds 是图层自己坐标系里的形状，由 getBoundsAndClip() 从 layer.geometry.boundaries 和圆角半径拼出来。isRect() 判的只有一件事——这个图层有没有圆角。旋转是通过 canvas->concat(...) 单独作用在画布矩阵上的，压根不进入这个判断。

于是理论上有个空档：一个没有圆角、却被转了任意角度的图层，会走下面那条 drawRect 分支，而那里的 SkPaint paint; 是默认构造的——antiAlias 默认是 false。斜边上就会有锯齿。

实践中基本碰不到，因为合成器的变换几乎只有平移、缩放和 90° 整数倍旋转（ui::Transform 的 ROT_90 / FLIP_H / FLIP_V 那一套，见 M1 第 2 篇 2D 变换与矩阵）。这几种都把轴对齐矩形映射成轴对齐矩形，边仍然平行于像素网格，本来就不需要抗锯齿。代码没写错，只是它的正确性依赖了一个没写在代码里的前提。

4. 路线一：多采几个点（SSAA 与 MSAA）

最朴素的想法：一个像素只采一个点不够，那就多采几个。

图：放大看一个被边缘斜穿的像素，它的精确覆盖率是 55%。左：只在中心采一个点，点落在里面，于是判成 100%。中：SSAA 4x，4 个采样点命中 2 个，判成 50%，而且着色器跑了 4 次。右：MSAA 4x，同样 4 个采样点、同样判成 50%，但着色器只跑 1 次（蓝色 × 是唯一的着色点）。

SSAA（超采样）就是字面意思：按 N 倍分辨率渲染，最后缩小。每个采样点都完整跑一遍片段着色器。效果最好，代价是 N 倍的着色 + N 倍的带宽 + N 倍的显存。手机上基本不用。

MSAA（多重采样）的洞察是一句话：覆盖率需要高分辨率，颜色不需要。

一个像素内部，如果它整个都在同一个三角形里，那 4 个采样点算出来的颜色几乎一样——跑 4 遍纯属浪费。真正需要高分辨率的只有"这个像素被盖住了多少"这件事。

于是 MSAA 把两件事拆开：

每像素做几次	内容
N 次	覆盖测试、深度测试（每个采样点各存一份深度）
1 次	片段着色器（在像素中心算一次颜色）

得到的结果是：一个像素存着 N 份"这个采样点归谁"，最后 resolve（把 N 个采样点平均成 1 个像素值）写出去。

代价对比（4x 为例）：

	着色次数	深度/颜色存储	效果
SSAA 4x	4×	4×	几何边缘 + 纹理内部都变好
MSAA 4x	1×	4×	只有几何边缘变好

最后那一列是 MSAA 的软肋：它只在三角形边界上多采样，像素内部的颜色是一次算出来的。所以纹理本身的走样、shader 里算出来的高频（比如程序化的细条纹、高光的闪烁）MSAA 一点忙都帮不上——那些得靠 M1 第 7 篇的 mipmap 和滤波去管。

MSAA 在手机上反而更划算，这和很多人的直觉相反。原因在于移动 GPU 的 tile 架构：多采样的那份数据全程待在片上 tile 内存里，resolve 也在片上完成，只有平均后的最终像素才写回系统内存——多出来的带宽开销大部分被吃在了片上。这条留到第 11 篇展开。

5. 路线二：把覆盖率直接算出来

回到那行 kSampleCount = 1; // enable AA。

采样数是 1，一个像素只有一个采样点，按上一节的逻辑根本不可能有抗锯齿。但 Skia 压根没走多采样这条路。

如果你知道图形的数学定义，覆盖率是可以直接算出来的。一个圆角矩形的边界是一段圆弧，圆弧和一个正方形像素相交出来的面积，是道解析几何题——算出来的 $\alpha$ 是精确值，不是 4 个采样点估出来的 2/4。

回头看上一节那张图：真实覆盖率 55%，MSAA 4x 只能给出 50%（4 个采样点，精度就 5 档：0、25%、50%、75%、100%）。解析法直接给 55%。

这条路的代价是它有一个硬前提：你得知道图形是什么。

	知不知道图形的数学定义	能不能用解析法
2D 矢量合成（Skia、SurfaceFlinger）	知道——就是矩形、圆角矩形、路径	能
3D 场景	不知道——是几十万个三角形按深度堆叠的结果	不能

3D 里，一个像素最终显示什么，取决于哪些三角形盖到了它、谁在前谁在后、有没有被剔除。这不是一道能解析求解的几何题。这就是为什么合成器可以用解析覆盖率，而游戏引擎必须回到采样。

这也就回答了第 2 个问题：kSampleCount = 1 和 enable AA 不矛盾，因为 Skia 的抗锯齿从来就不靠多采样点——它靠算面积。那行注释的意思是"采样数保持 1，抗锯齿交给 Skia 自己做"，而不是"把采样数设成 1 就能开启抗锯齿"。

⚠️ 别搞混

setAntiAlias(true) 和 MSAA 中文都叫"抗锯齿"，但它们是两套东西：

	paint.setAntiAlias(true)	MSAA
谁做的	Skia（软件或 GPU shader 里算面积）	GPU 固定功能硬件
怎么算覆盖率	解析，精确面积	采样，N 个点数出来
精度	连续值	N+1 档
前提	得知道图形的数学定义	任意三角形都行
额外显存	无	N 倍的深度/颜色缓冲
在哪配置	每次绘制的 SkPaint	创建渲染目标时的 sampleCount

同一份画面上，两者可以同时存在也可以都没有。RenderEngine 就是"sampleCount=1（无 MSAA）+ Skia 解析 AA"的组合。

6. 路线三：画完了再补救（FXAA / SMAA）

前两条路都要在画的时候下手。还有一类方案反过来：接受一张已经有锯齿的图，事后修。

思路是：在成品图上找出那些看起来像边缘的地方（相邻像素亮度差得多），然后沿着边缘的方向把像素混一混，把台阶抹顺。FXAA（Fast Approximate AA）是最有名的一个，SMAA 是它的改进版，边缘判断更讲究。

优点	缺点
便宜——就是一个全屏 pass，几乎不占显存	它在猜。分不清"这是几何边缘"还是"这本来就是一条细线纹理"
和管线完全解耦，任何渲染器都能挂上去	会把真实的细节一起抹糊，文字和细纹理尤其明显
对任何来源的锯齿都有效（包括 shader 算出来的）	拿不回亚像素信息——原图里 70% 的覆盖率已经被取整成 100% 了，事后没法还原

最后那条是根本限制：前两条路是在信息丢失之前动手，FXAA 是在丢失之后补。

7. 路线四：把采样摊到时间上（TAA）

还剩最后一个思路，而且它是今天绝大多数游戏的选择。

既然一帧里采 4 个点太贵，那就一帧采 1 个点、连续 4 帧采不同的位置。

图：每一帧把采样点抖动（jitter）到像素内的不同亚像素位置。单看任何一帧都只有 1 个采样点，但把 4 帧攒起来，就等价于这个像素有了 4 个采样点。

这就是 TAA（Temporal Anti-Aliasing，时域抗锯齿）。代价从"空间上多采 4 倍"变成了"时间上摊 4 帧"，单帧成本几乎不变。

听起来太美好，所以它有两个必须解决的麻烦：

麻烦一：画面在动。上一帧那个像素里的东西，这一帧已经挪到别处去了，直接把历史帧叠上来就是糊成一片。解法是运动矢量（motion vector）——渲染时额外输出一张图，记录每个像素相对上一帧移动了多少，然后按它把历史帧重投影到当前帧的位置再叠加。

麻烦二：东西会被挡住、会消失。一个像素上一帧还是墙，这一帧墙被角色挡住了，历史值就是彻底错的。解法是邻域 clamp——把重投影来的历史值限制在"当前帧这个像素周围一圈颜色的范围"内，超出范围说明历史不可信，丢掉。

即便这样，TAA 还是会有它的招牌毛病：运动物体后面的拖影（ghosting）、快速移动时的糊、细小物体的闪烁。

它凭什么还是主流？因为它是唯一一个能同时管住几何锯齿和着色锯齿的方案（MSAA 管不了后者），成本又低。而且它顺手打开了另一扇门：既然已经在累积多帧样本了，那把渲染分辨率降下来、靠时域累积补回细节，就是很自然的下一步。

8. 怎么选

方案	在哪一步下手	主要代价	管几何锯齿	管着色锯齿
解析覆盖率（Skia）	光栅化时算面积	只适用于知道数学定义的图形	✅ 精确	—
SSAA	整体提高分辨率	N 倍着色 + N 倍带宽	✅	✅
MSAA	光栅化多采样、着色一次	N 倍深度/颜色存储	✅	❌
FXAA / SMAA	成品图上后处理	会糊掉真实细节	⚠️ 猜的	⚠️ 猜的
TAA	跨帧累积	拖影、需要运动矢量	✅	✅

回到源码

问题 1：为什么普通矩形不开 AA，圆角矩形要开？

因为轴对齐矩形的边平行于像素网格，沿着边走过去每个像素的覆盖率都一样——没有起伏就没有台阶。边界再落在整数像素上（合成器的常态），覆盖率干脆非 0 即 1，抗锯齿算了也白算，结果逐位相同。

圆角那段圆弧斜穿像素，覆盖率沿边缘一路变化（图里那格是 55%），取整就把它压成了台阶。

这个 if 判的是正确性边界，不是性能开关。但要注意它判的是"有没有圆角"，不是"变换后还是不是轴对齐"——旋转走的是画布矩阵，不进这个判断，详见第 3 节末尾。

问题 2：kSampleCount = 1 怎么还能 enable AA？

因为 Skia 的抗锯齿不靠多采样点，靠解析地算出覆盖面积。它知道自己在画一个圆角矩形，圆弧和像素方块的相交面积是可以直接求解的。采样数保持 1，只是说"不额外开 MSAA 缓冲"，抗锯齿由 Skia 在着色阶段自己完成。

顺带说清一件事：解析法的精度反而比 MSAA 高——4x MSAA 只有 5 档精度，解析法给的是连续值。它的限制不在精度，在适用范围。

问题 3：MSAA、TAA 和 setAntiAlias 是一回事吗？

不是，是三条不同的路线，唯一的共同点是都在处理同一个量——覆盖率。

• setAntiAlias = 解析算面积，需要知道图形是什么，只有 2D 矢量场景能用；
• MSAA = 光栅化时多采几个点、着色仍只做一次，任意三角形都能用，但管不了着色锯齿；
• TAA = 把采样摊到多帧上，成本最低、覆盖最全，代价是拖影和对运动矢量的依赖。

以后再看到"抗锯齿"三个字，先问一句：它是在几何阶段、着色阶段，还是画完之后动的手？这一问就能定位它属于哪条路线，以及它管不管得了你眼前那个锯齿。

自测

1. 为什么说几何锯齿"没法根治"，而纹理走样可以？

因为两者的信号性质不同。

纹理是个带宽有限的信号，只要在采样前把超过一半采样率的高频滤掉（低通），走样就不会发生——mipmap 就是把这件事预先算好。

几何边缘的"信号"是覆盖函数，一个 0/1 阶跃。阶跃的频谱是无限宽的，无论采样率多高都有高频残留。而且你没法对它低通——把突变抹平，边缘本身就没了。

所以几何抗锯齿的所有方案都是"逼近"，只是逼近得多划算的区别。

2. 一个像素真实覆盖率是 55%，4x MSAA 会给出什么值？为什么？

50%（4 个采样点里命中 2 个）。

4 个采样点只能给出 5 档精度：0、25%、50%、75%、100%。55% 落在 50% 这一档上。

对比之下，Skia 的解析法直接算出 55% 这个连续值。MSAA 的精度受采样点数量限制，解析法不受——但解析法要求你知道图形的数学定义，3D 场景做不到。

3. MSAA 4x 的着色器跑几次？为什么这是它比 SSAA 便宜的关键？

1 次（SSAA 4x 跑 4 次）。

关键洞察是：覆盖率需要高分辨率，颜色不需要。一个像素内部如果都属于同一个三角形，4 个采样点算出来的颜色几乎一样，跑 4 遍是浪费。

所以 MSAA 只把覆盖测试和深度测试做 N 次，着色仍然每像素一次。代价是它只能改善几何边缘——像素内部的颜色本来就只算了一次，纹理走样、高光闪烁这类着色锯齿它管不了。

4. 一个 shader 用程序化的方式画出很密的细条纹，画面在闪。开 MSAA 4x 有用吗？

基本没用。

闪烁来自着色阶段——细条纹是 shader 在像素中心算出来的高频，属于纹理/着色走样，不是几何边缘。MSAA 只在三角形边界上多采样，像素内部仍然只着色一次，那次着色算出来是什么就是什么。

有用的是：给条纹用真实纹理 + mipmap（M1 第 7 篇），或者在 shader 里根据 dFdx/dFdy 主动降低条纹频率，或者上 TAA / SSAA（这两个会真的多采样着色结果）。

5. SurfaceFlinger 用 Skia 的解析 AA 就够了，游戏引擎为什么不能照抄？

因为前提不成立。

解析法要求知道图形的数学定义。合成器画的就是矩形和圆角矩形，边界是一个可以写出方程的形状，圆弧与像素的相交面积能直接求解。

3D 场景里，一个像素最终显示什么，是几十万个三角形经过深度测试、剔除、混合之后的结果——这不是一道能解析求解的几何题。所以游戏必须回到采样路线（MSAA/TAA）或事后补救（FXAA）。

方案的适用性来自它对输入的假设，不是它有多先进。

小结

概念	一句话	要点
几何锯齿	覆盖率被取整成 0/1	和纹理走样成因不同，根治不了
覆盖率 $\alpha$	这个像素被盖住的面积比例	所有方案的公共分母
正确的边缘色	$\alpha C_{\text{图形}} + (1-\alpha) C_{\text{背景}}$	形状同 alpha 混合，$\alpha$ 来源不同
轴对齐矩形	边平行网格 → 覆盖率不起伏 → 无台阶	所以不需要抗锯齿；isRect() 判的是有没有圆角
SSAA	整体提分辨率再缩小	N 倍着色，手机上太贵
MSAA	覆盖测 N 次，着色 1 次	只管几何边缘；在 tile 架构上特别划算
解析覆盖率	直接算面积，不采样	精度更高，但要知道图形的数学定义
kSampleCount = 1	不开 MSAA，AA 交给 Skia	两件事，不矛盾
FXAA / SMAA	成品图上找边缘再抹	便宜、通用，但在猜，会糊细节
TAA	把采样摊到多帧	需要运动矢量 + 邻域 clamp；代价是拖影
选型第一问	它在管线哪一步动手？	几何阶段 / 着色阶段 / 画完之后

延伸阅读

• GAMES101 Lecture 6：Rasterization 2（Antialiasing）：https://games-cn.org/intro-graphics/
• NVIDIA《FXAA》白皮书（后处理 AA 的原始论文）：https://developer.download.nvidia.com/assets/gamedev/files/sdk/11/FXAA_WhitePaper.pdf
• Alex Tardif《Temporal Antialiasing Starter Pack》（TAA 的工程要点汇总）：https://alextardif.com/TAA.html
• Skia 官方文档《Skia Graphics Library》中 SkPaint 的 anti-alias 说明：https://skia.org/docs/user/api/skpaint_overview/
• AOSP 源码：frameworks/native/libs/renderengine/skia/compat/GaneshGpuContext.cpp、frameworks/native/libs/renderengine/skia/SkiaRenderEngine.cpp