淺析DirectX11技術(shù)帶給圖形業(yè)界的改變
前言：2009年10月23日，微軟高調(diào)發(fā)布了其最新一代操作系統(tǒng)——Windows7，這款操作系統(tǒng)相對于之前的Vista系統(tǒng)有相當(dāng)大的進(jìn)步，特別核心執(zhí)行效率方面得到顯著改善，并且加入了DirectX 11等新技術(shù)。微軟此次推出全新圖形API——DirectX 11目的很明確，就是能夠充分利用顯卡資源，旨在游戲以及通用計算方面達(dá)到更高的執(zhí)行效率。今天本文就帶大家一起分析DirectX 11技術(shù)帶給圖形業(yè)界和游戲玩家的雙重體驗。同時也讓更多人了解到自己是否需要一款支持DirectX 11的顯卡，具體選擇哪些顯卡最為合適。
● DirectX對GPU發(fā)展帶來的影響
DirectX并不是一個單純的圖形API，它是由微軟公司開發(fā)的用途廣泛的API，它包含有Direct Graphics(Direct 3D+Direct Draw)、Direct Input、Direct Play、Direct Sound、Direct Show、Direct Setup、Direct Media Objects等多個組件，它提供了一整套的多媒體接口方案。只是其在3D圖形方面的優(yōu)秀表現(xiàn)，讓它的其它幾個組件幾乎被人們忽略。
Direct Graphics的優(yōu)秀表現(xiàn)和微軟的影響力，令無數(shù)硬件廠商生畏并不斷遵循其變化來開發(fā)新的圖形處理器架構(gòu)。同時ATI和NVIDIA兩家廠商之所以至今仍不斷跟隨DirectX的步伐，是意識到任何游戲相關(guān)的硬件廠商要是被微軟拋棄，那么其后果是不堪設(shè)想的。
大家都在暢想DirectX技術(shù)的未來
在過去的數(shù)次DirectX更替中，有幾次較大的更新，比如我們熟知的從DirectX 7到DirectX 8到DirectX 9到再DirectX 10，也是因為這樣的理由使得芯片變得更大。在向DirectX 8的轉(zhuǎn)移使得可編程的硬件進(jìn)入管線成為了雙重構(gòu)造。對于DirectX 9的頂點處理與像素處理，則被真正的可編程處理器調(diào)換。而在向DirectX 10的轉(zhuǎn)移為了實現(xiàn)更靈活的可編程性，需要GPU架構(gòu)進(jìn)行根本的改革。
所以哪個世代的改變以及生產(chǎn)什么樣的GPU都關(guān)乎根本性的改革，而這種改革基本上都是圍繞DirectX這個最重要的圖形API來進(jìn)行的。特別是DirectX 10時代架構(gòu)的改革，從根本上改變了GPU的本質(zhì)。從DirectX 8向DirectX 9通過API的改革牽動了GPU架構(gòu)的改革，而架構(gòu)巨大變化的轉(zhuǎn)折點則是DirectX 10。
DirectX 10時代 著色器單元走向統(tǒng)一
在DirectX 10時代，我們非常有幸看到了Pixel Shader（頂點著色器）、Vertex Shader（像素著色器）和Geometry Shader（幾何著色器），三種具體的硬件邏輯被整合為一個全功能的著色器Shader。但是我們也發(fā)現(xiàn)，GPU在性能提升的同時，芯片規(guī)模發(fā)生了更快速的放大，這不得不讓人擔(dān)心未來GPU的功耗和發(fā)熱等等問題。
事實上芯片變大有兩個主要原因。一個是因為性能的增加。要提高運(yùn)算性能就會需要更多的資源，這會增加晶體管的數(shù)量。另一個就是為了發(fā)展可編程化。需要讓單一的可編程處理器包括個別進(jìn)行處理的固定功能硬件，這必然也會增加晶體管數(shù)量。可是這樣會讓性能出現(xiàn)大幅度下滑，因此為了保持同樣的性能也需要大幅度增加運(yùn)算資源。結(jié)果就是對于GPU的情況需要從固定硬用向可編程硬件轉(zhuǎn)換，晶體管數(shù)和核心尺寸也因此而增加。
直到今天我們看到的DirectX 11出現(xiàn)，這個問題得到了一個平衡的解決方案。DirectX 10帶來了眾多絢麗無比的新特效，但“濫用”各種特效最終導(dǎo)致GPU不堪重負(fù)。在DirectX 10經(jīng)歷了種種波折，瓶頸盡顯時，微軟也開始將重心集中在如何提升算法和效率上面，而不是一味的加入新特效或提高模型復(fù)雜度。因此我們看到的DirectX 11，已經(jīng)將技術(shù)重心放在如何用最小的硬件開銷在先進(jìn)圖形技術(shù)的輔助下實現(xiàn)最佳的渲染效果。
● DirectX 11帶來的全新特性
DirectX 11作為一套全新的圖形API，提供給圖形開發(fā)者和用戶極大的想象空間，同時降低了開發(fā)難度，節(jié)省硬件資源，特別是后兩個特點，是DirectX 11區(qū)別與以往的DirectX最為顯著的特點。
2009年NVISION大會上，微軟就透漏了DirectX 11的大量細(xì)節(jié)，此時DirectX 11已經(jīng)完全成熟并獲得硬件廠商支持，就等和Win7操作系統(tǒng)一同上市了。同時借助SIGGRAPH以及GameFest 2008大會上放出的幻燈片，我們可以進(jìn)行一些深入的研究。此外，DX11特性的提前放出，對于目前DX10以及DX10.1硬件用戶而言也很有幫助，因為AMD和NVIDIA可以照此提前開發(fā)適當(dāng)?shù)尿?qū)動支持。
2008年度NVISION資料截圖
回顧歷次DirectX的更替過程，幾乎都對GPU架構(gòu)產(chǎn)生了顛覆性的影響，它們大部分要求GPU改變現(xiàn)有的著色器Shader單元結(jié)構(gòu)，或者為著色器Shader單元追加資源，這些改進(jìn)都是為了讓GPU的指令數(shù)提升，寄存器數(shù)量增加，紋理規(guī)模提升，材質(zhì)Texture精度提升。這樣的改進(jìn)難免帶來晶體管數(shù)量的增長，也就說說GPU內(nèi)部的每個著色器Shader單元變得更加龐大。
DirectX 11發(fā)布后，人們發(fā)現(xiàn)微軟并沒有在Shader Model方面做出重要提升，雖然版本升至Shader Model 5.0，但是更重要的是它實際上可以被看作是DirectX 10和DirectX 10.1的功能補(bǔ)全，你也可以認(rèn)為它是DirectX 10和DirectX 10.1的超集，如果換個角度大膽設(shè)想，我們今天看到的DirectX 11才是微軟想要的DirectX 10完美形態(tài)。
DirectX 11針對不同方面帶來了全新的特性，目前通過現(xiàn)有資料分析，它主要有以下幾個方面的提升：
DirectX 11帶來的全新特性
● 著色器版本提升到Shader Model 5.0，采用面向?qū)ο蟮母拍睿⑶彝耆梢灾С蛛p精度數(shù)據(jù)。
● Tessellation曲面細(xì)分技術(shù)獲得微軟正式支持，逐漸走向成熟；
● Multithreading多線程處理，讓圖形處理面對多線程編程環(huán)境不再尷尬；
● 提出微軟自己的Compute Shader通用計算概念，把GPU通用計算推向新的巔峰；
● 新的Texture Compression紋理壓縮方案，在畫質(zhì)損失極小的環(huán)境下帶來了硬件資源的節(jié)約。
在今天的分析中，我們將重點放在Tessellation曲面細(xì)分技術(shù)方面，因為這是DirectX 11最為突出的特色之一，也是給圖形運(yùn)算產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的一項技術(shù)，DirectX 11的其他特點我們也會提及。
● Tessellation技術(shù)簡析
Tessellation又可譯作拆嵌式細(xì)分曲面技術(shù)。其實這是ATI早在其第一代DirectX 10圖形核心R600，即HD2900XT上就引入的一個特殊的計算模塊。從HD2000系列開始，直到最新的HD5000系列，整整4代顯卡全部支持這一技術(shù)。即使目前也仍然沒有游戲能夠支持這一技術(shù)，ATI也依然沒有放棄在這項技術(shù)上的努力——從名字上也可以看出ATI在這項技術(shù)上的心血：Tessell-ATI-on。
Tessellation主要是靠GPU內(nèi)部的一個模塊Programmable Tessellator（可編程拆嵌器）來實現(xiàn)的。能夠根據(jù)3D模型中已經(jīng)有的頂點，根據(jù)不同的需求，按照不同的規(guī)則，進(jìn)行插值，將一個多邊形拆分成為多個多邊形。而這個過程都是可以由編程來控制的，這樣就很好的解決了效率和效果的矛盾。TessellATIon能自動創(chuàng)造出數(shù)百倍與原始模型的頂點，這些不是虛擬的頂點，而是實實在在的頂點，效果是等同于建模的時候直接設(shè)計出來的。
Tessellation工作流程三部曲
很明顯，DirectX 11中的Tessellation讓雪山的凹凸感更為明顯，遠(yuǎn)勝于DirectX 10里所采用的視差映射貼圖技術(shù)。雖然后者在較遠(yuǎn)距離觀看的時候也能提供一定的視覺欺騙性，但和 Tessellation技術(shù)塑造出來的真實感覺還相差太遠(yuǎn)。我們使用的分析圖來自AMD在R600發(fā)布時放出的一段Demo，這段Demo區(qū)別于以往的設(shè)計方式，它沒有突出主角而淡化背景，因為在沒有Tessellation技術(shù)之前，大量頂點的生成和隨之而來的計算將給GPU的幾何處理部分帶來巨大壓力，無法流暢運(yùn)行，而Tessellation技術(shù)改變了這一模式。
除了大幅提升模型細(xì)節(jié)和畫質(zhì)外，Tessellation最吸引程序員的地方就是：他們無需手動設(shè)計上百萬個三角形的復(fù)雜模型，只需簡單勾繪一個輪廓，剩下的就可以交給Tessellation技術(shù)自動拆嵌，大大提高了開發(fā)效率；而且簡單的模型在GPU處理時也能大幅節(jié)約顯存開銷，令渲染速度大幅提升。
● Tessellation技術(shù)歷史回顧
Tessellation技術(shù)最早可以追溯到DX8時代，當(dāng)時ATI就已經(jīng)和微軟聯(lián)手開發(fā)了TruForm（N-Patch）技術(shù)，也就是Tessellation的前身，并被納入DX8.1的范疇。
2001年，ATI公布了TruForm的技術(shù)細(xì)節(jié)，相關(guān)媒體也對這一技術(shù)進(jìn)行了報道。簡單地說TruForm技術(shù)就是將在芯片內(nèi)部將游戲中的三角形轉(zhuǎn)換成曲面然后再轉(zhuǎn)換成一個新的三角形，這個三角形可以在場景中顯示。
當(dāng)三角形信息通過圖形芯片時，TruForm技術(shù)開始工作，它通過創(chuàng)建N-Patch來形成N-Patch網(wǎng)格。
N-Patch網(wǎng)格是一個曲面，通過線性三角形信息來定義。N-Patches在三角形每個邊放兩個控制點，這樣就產(chǎn)生了六個新的頂點。這些控制點都在一個單獨的平面上，可以位于原三角形之下或者之上。使用儲存在原三角形的頂點向量的信息，可以決定控制點的位置。
N-Patch技術(shù)示意圖
當(dāng)然，這并不是一個簡單的工作，而這正是TruForm技術(shù)的用處所在。當(dāng)時人們認(rèn)為它是ATI下一代顯卡Radeon2的獨門武器。在當(dāng)時GPU運(yùn)算能力極為有限的情況下，N-Patch技術(shù)可以大幅提升3D模型的細(xì)節(jié)和顯示效果。
但是它卻出現(xiàn)了一些非常遺憾的失誤，導(dǎo)致這項技術(shù)最終被用戶放棄。因為N-Patch技術(shù)技術(shù)比較適合于海豚、賽車等表面為曲面的模型上，而如果這個技術(shù)應(yīng)用在坦克等不需要做曲面化的模型上的時候，效果就會變得相當(dāng)?shù)幕?/p>
Tessellation技術(shù)帶來的3D流水線變化
N-Patch/TruForm技術(shù)就這樣被市場邊緣化，但是ATI還是沒有放棄對它的開發(fā)和研究。終于在2005年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)，在微軟與ATI的合作結(jié)晶——專為XBOX360設(shè)計的圖形芯片Xenos當(dāng)中，經(jīng)過改進(jìn)的N-Patch/TruForm技術(shù)重出江湖，這次ATI將它直接命名為我們熟悉的TessellATIon，直譯為“拆嵌”意譯為“細(xì)分曲面”，同時表示ATI在這項技術(shù)中不可磨滅的貢獻(xiàn)。
● Tessellation技術(shù)拆解分析
Tessellation這個英文單詞直譯為“鑲嵌”，也就是在頂點與頂點之間自動嵌入新的頂點。Tessellation經(jīng)常被意譯為“細(xì)分曲面”，因為在自動插入大量新的頂點之后，模型的曲面會被分得非常細(xì)膩，看上去更加平滑致密。它是一種能夠在圖形芯片內(nèi)部自動創(chuàng)造頂點，使模型細(xì)化，從而獲得更好畫面效果的技術(shù)。Tessellation能自動創(chuàng)造出數(shù)百倍與原始模型的頂點，這些不是虛擬的頂點，而是實實在在的頂點，效果是等同于建模的時候直接設(shè)計出來的。
圖形業(yè)界對于曲面細(xì)分的探索不斷深入
在此之前，人們對低代價多邊形操作法已經(jīng)探索了近10年，從最開始的對三角形的fan操縱，到后來的龜裂和沖撞檢查，這些方法可以實現(xiàn)曲面細(xì)分效果，但是對資源的消耗量太大不可控制。這次微軟在DirectX 11中加入硬件Tessellation單元，我們可以視作曲面細(xì)分技術(shù)歷經(jīng)長時間的磨練后修成正果。雖然它不太符合通用處理單元的設(shè)計方向，但是如果計算晶體管的投入與性能回報，獨立的硬件Tessellation單元是目前最好的選擇。
Tessellation技術(shù)是完全可編程的，它提供了多種插值頂點位置的方法來創(chuàng)造各種曲面：
1. N-Patch曲面，就是和當(dāng)年TruForm技術(shù)一樣，根據(jù)基礎(chǔ)三角形頂點的法線決定曲面；
2. 貝塞爾曲面，根據(jù)貝塞爾曲線的公式計算頂點的位置；
3. B-Spline、NURBs、NUBs曲線（這三種曲線均為CAD領(lǐng)域常用曲線，在Maya中均有相應(yīng)工具可以生成）
4. 通過遞歸算法接近Catmull-Clark極限曲面。
不同方式的曲面細(xì)分效果實例
Tessellation技術(shù)最初主要被用以“細(xì)分曲面”，隨著該技術(shù)被納入DX11范疇，得到大范圍推廣之后，插值頂點的算法也越來越多，因此用途也越來越廣，產(chǎn)生了很多非常有創(chuàng)意的應(yīng)用。
Tessellation技術(shù)還經(jīng)常與Displacement Maps（貼圖置換）技術(shù)搭配使用，從而將平面紋理貼圖改造成為具有立體感的幾何圖形，大大增強(qiáng)3D模型或場景的真實性。
除了大幅提升模型細(xì)節(jié)和畫質(zhì)外，Tessellation最吸引程序員的地方就是：他們無需手動設(shè)計上百萬個三角形的復(fù)雜模型，只需簡單勾繪一個輪廓，剩下的就可以交給Tessellation技術(shù)自動鑲嵌，大大提高開發(fā)效率；而且簡單的模型在GPU處理時也能大幅節(jié)約顯存開銷，同時大幅提升渲染速度。
● DirectX 11引入可編程曲面細(xì)分管線
在DirectX10時代的細(xì)分曲面里，最有新用途的就是Geometry Shader和Stream Out，前者可以輸入一些數(shù)據(jù)，然后產(chǎn)生一些三角形，后者可以斷絕Pixel Shader，做完Geometry Shader就直接輸出回Input Assembler，這就意味著可以做GPU遞歸和迭代。
而DirectX 11相比DirectX 10，Shader Model的變化并不算大，只是增加了5個全新的指令集。但是對于游戲開發(fā)者而言，Shader Model 5.0函數(shù)和子程序代碼的開發(fā)都比上一代更加簡單方便。增加的五個新指令集目的也是為了讓編程者可以進(jìn)行更靈活的數(shù)據(jù)訪問和操作。
在Shader Model 5.0中，Shader進(jìn)行了類型的統(tǒng)一，除了4.0版本中就已經(jīng)有的Vertex Shader、Pixel Shader、Geometry Shader外，還增加了Hull Shader、Compute Shader、Domain Shader三種新的Shade，它們的出現(xiàn)都是為了完善曲面細(xì)分管線。
ATI的HD2000以上級別顯卡其實都具備Tessellation的功能，但它們卻無法與DX11中的Tessellation技術(shù)相兼容。這是因為微軟并沒有原封未動的將R600的Tessellation技術(shù)抄到DX11之中，而是對其進(jìn)行了優(yōu)化，使之能與渲染流程完美的結(jié)合在一起，可以更高效率的細(xì)分出更多的多邊形和曲面。
與DX9C/DX10時代孤零零的Tessellator模塊不同，在DX11當(dāng)中，微軟加入了兩種全新著色器來全力配合Tessellator的工作，分別位于鑲嵌器的前后。
其中Hull Shader（外殼著色器）用來控制自動生成頂點的數(shù)量和算法，也就是Tessellator的細(xì)分級別，然后交給Tesselator進(jìn)行鑲嵌處理，最后由Domain Shader（域著色器）按照程序要求生成所需曲面，并自動進(jìn)行法線平移、置換貼圖，產(chǎn)生新的模型。
與DX9/10中的Tessellation技術(shù)相比，DX11新增的兩種著色器都受統(tǒng)一渲染架構(gòu)支配，因此處理能力非常富裕，DX11版Tessellation不僅效率更高、而且細(xì)分級別更豐富。但是，更高的細(xì)分等級對Tessellator模塊本身的處理能力提出了苛刻要求，這需要芯片廠商在設(shè)計之初就考慮周全。
● Tessellation與Displacement Mapping綜合應(yīng)用
Displacement Mapping（貼圖置換）與Tessellation（曲面細(xì)分）的結(jié)合使用具有許多優(yōu)勢。雖然兩者在原理方面本來是沒有任何。
貼圖置換是一種通過VS和alpha混合操作來達(dá)成復(fù)雜表面的操作；基本上貼圖置換不會增加新的多邊形，即便增加也僅作操作點用。曲面細(xì)分則不一樣，它通過在已知多邊形內(nèi)設(shè)立新的頂點，達(dá)成fan操作來完成增加多邊形的目的。這兩種技術(shù)一個的重點是alpha和頂點移動，另一個的重點則是直接增加多邊形數(shù)量。這是兩種完全不同的復(fù)雜表面細(xì)節(jié)實現(xiàn)手段。
Tessellation和Displacement Mapping結(jié)合應(yīng)用
簡單來講，Displacement Mapping的目的就是借助Tessellation改變多變形的外觀，而不僅僅只是圓滑棱角。
正如你所看到的那樣，Displacement mapping能夠透過Tessellation和Displacement Mapping讓一張平面的網(wǎng)面真正實現(xiàn)具有不同形狀的外觀（上面的例子是綿綿起伏的山丘），只要使用Displacement Mapping映像到網(wǎng)面的頂點上，就能夠讓網(wǎng)面善的頂點提升/升降到不同的相對高度，同樣的網(wǎng)面可以形成不同的形狀。
Tessellation和Displacement Mapping結(jié)合應(yīng)用
和以往主要在光柵化階段進(jìn)行的Bump mapping不同的是，Displacement Mapping是生成的是由更多多邊形構(gòu)成的真實外觀，而Bump mapping則是一種欺騙性手段、一種性能妥協(xié)方案而已，不能產(chǎn)生真正不同的外形，采用Displacement Mapping來實現(xiàn)豐富的表面細(xì)節(jié)實在有太多的好處了。
最終，利用Displacement Mapping（貼圖置換）與Tessellation（曲面細(xì)分）相結(jié)合的方式所渲染出來的模型與藝術(shù)家所用工具中的原生模型很相似，從而讓藝術(shù)家不必創(chuàng)建不同幾何細(xì)節(jié)級別的模型，無需重復(fù)地進(jìn)行這種一般性勞動。
● 全新的多線程渲染技術(shù)
雖然超線程概念已經(jīng)在CPU領(lǐng)域發(fā)展了數(shù)十年，但大多數(shù)程序員還是直到近年來多核心CPU流行之后才開始關(guān)心程序的平行化，在此之前大部分通用代碼都是簡單的單線程，在這些代碼里尋找并挖掘多線程化帶來的性能提升是非常困難的。
為了改變這一現(xiàn)狀，DirectX 11特性還包括很重要一點：支持多線程（multi-threading）。沒錯，無論是DirectX 10還是DirectX 11，所有的色彩信息最終都將被光柵化并顯示在電腦顯示屏上（無論是通過線性的方式還是同步的），但是DirectX 11新增了對多線程技術(shù)的支持。
從DirectX 10到DirectX 11的多線程變化
得益于此，應(yīng)用程序可以同步創(chuàng)造有用資源或者管理狀態(tài)，并從所有專用線程中發(fā)送提取命令，這樣做無疑效率更高。DX11的這種多線程技術(shù)可能并不能加速繪圖的子系統(tǒng)（特別是當(dāng)我們的GPU資源受限時），但是這樣卻可以提升線程啟動游戲的效率，并且可以利用臺式CPU核心數(shù)量不斷提高所帶來的潛力。
多線程渲染示意圖1
在DirectX 11中，微軟通過將目前單一執(zhí)行的Direct 3D設(shè)備被分為三個獨立的接口：設(shè)備（Device）、立即執(zhí)行范疇（immediate Context）和延遲執(zhí)行范疇（Deferred Context）。
多線程渲染示意圖2
這三者都被分發(fā)到各自獨立的線程，而且設(shè)備和Deferred context還可以分配多個線程，負(fù)責(zé)將等待執(zhí)行的任務(wù)發(fā)送給immediate Context或渲染線程。這樣的設(shè)計可以將圖形生成所需的資源做預(yù)先的存取。同時，CPU還可以利用顯卡的多線程處理加快DirectX的處理，減少CPU的響應(yīng)時間而使游戲不再受到CPU的瓶頸限制。