Reaaliaikaisten antialiasiontimenetelmien vertailu virtuaalilaseilla

Virtual reality and head-mounted devices have gained popularity in the past few years. Their increased field-of-view combined with a display that is near to the eyes have increased the importance of anti-aliasing i.e. softening of the visible jagged edges resulting from insufficient rendering resolution. In this thesis, elementary theory of real-time rendering, anti-aliasing and virtual reality is studied. Based on the theory and review of recent studies, multisample anti-aliasing (MSAA), fast-approximate anti-aliasing (FXAA) and temporal anti-aliasing (TAA) were implemented into a real-time deferred rendering engine and the different techniques were studied in both subjective image quality and objective performance measures. In the scope of this thesis, only each methods’ ability to prevent or lessen jagged edges and small flickering detailed geometries is examined. Performance was measured on two different machines; the FXAA implementation was found to be the fastest with 3% impact on performance and required the least memory, the TAA performance impact was 10-11% and 22% to 62% for MSAA was depending on the sample count. Each techniques’ ability to prevent or reduce aliasing was examined by measuring the visual quality and fatigue reported by participants. Each anti-aliasing method was presented in a 3D scene using Oculus Rift CV1. The results indicate that the 4xMSAA and 2xMSAA had clearly the best visual quality and made participants the least fatigued. FXAA appears visually not as good, but did not cause significant fatigue. TAA appeared slightly blurry for the most of the participants, and this caused them to experience more fatigue. This study emphasizes the need for understanding the human visual system when developing real-time graphics for virtual reality application.Virtuaalitodellisuus (VR) ja VR-lasit ovat yleistyneet viime vuosina. VR-lasien huomattavasti suuremman näkökentän sekä lähelle silmiä tulevan näytön vuoksi antialiasointi, eli reunojen pehmennystekniikoista, on tullut tärkeäksi. Diplomityössä tehdään kirjallisuuskatsaus reaaliaikarenderöinnin, antialiasoinnin sekä virtuaalitodellisuuden perusteisiin. Teoriaan sekä viimeaikaisiin tutkimuksiin perustuen kolme antialiasointimenetelmää fast-approximate (FXAA), temporaalinen (TAA) sekä moninäytteistys (MSAA) ovat valittu implementoitavaksi reaaliaikaohjelmistoon ja tarkemmin tutkittavaksi suorituskyvyn sekä subjektiivisesti testattavan visuaalisen laadun puolesta. Diplomityö keskittyy visuaalisessa laadussa tutkimaan vain eri menetelmien kykyä estää tai redusoida reunojen antialiasointia ja esimerkiksi pienien geometristen objektien yksityiskohtien välkkymistä. Suorituskyvyn mittauksissa FXAA oli menetelmistä nopein (3% menetys suorituskyvyssä), TAA 10-11% menetys suorituskyvyssä sekä MSAA hitain 22-62% suorituskyvyn menetyksellä. Subjektiivisen laadun testillä mitattiin kokemuksen laatua, joka koostui visuaalisen laadun sekä uupumuksen arvostelusta eri tapauksissa. Ärsykkeet eli eri antialiasointimenetelmät esitettiin reaaliaikaisessa 3D-ympäristössä, jota katsottiin Oculus Rift CV1 -virtuaalilaseilla. Tulosten mukaan neljän sekä kahden näytteen versiot MSAA:sta olivat selkesti visuaalisesti laadukkaimmat sekä aiheuttivat vähiten uupuneisuutta koehenkilöissä. FXAA havaittiin laadultaan hiekommaksi, mutta ei MSAA:ta enemmän uupumusta aiheuttavaski. TAA aiheutti selkeästi eniten uupumusta sekä oli laadullisesti huonoin liiallisen pehmeyden ja haamuefektin vuoksi. Tämä tutkimus painottaa ihmisen näköjärjestelmän ymmärrystä kehittäessä reaaliaikagrafiikkaa VR-ohjelmistoihin