芳草春暉

淺析DirectX11技術帶給圖形業界的改變(二)

    ● Compute Shader與Texture Compression

    GPU是圖形處理器，以往的GPU通用計算需要程序員先將資料偽裝成GPU可識別的圖像，再將GPU輸出的圖像轉換為想要的結果，而通過DX11中的Compute Shader通用計算，任意類型的數據（即使是非圖形數據）都可以直接進行計算，而且不受圖形渲染流程的束縛，可以隨時寫入寫出，GPU通用計算的效能提高了很多。

    由于GPU的浮點運算能力非常強大，支持GPU進行通用計算的技術發展勢頭很快，NVIDIA和AMD分別有CUDA和Stream技術，以前兩家是各自為戰，如今微軟也看到了GPU通用計算的曙光，在DX11中加入了Compute Shader這一技術，意在統一當前的通用計算技術。你可以認為Compute Shader標準就是微軟提出的OPEN CL。

    Compute Shader技術是微軟DirectX 11 API新加入的特性，在Compute Shader的幫助下，程序員可直接將GPU作為并行處理器加以利用，GPU將不僅具有3D渲染能力，也具有其他的運算能力，也就是我們說的GPGPU的概念和物理加速運算。多線程處理技術使游戲更好地利用系統的多個核心。

Compute Shader圖形流水線

    Compute Shader主要特性包括線程間數據通信、一整套隨機訪問和流式I/O操作基本單元等，能加快和簡化圖像和后期處理效果等已有技術，也為DX11級硬件的新技術做好了準備，對于游戲和應用程序開發有著很重大的意義。

    在DirectX 11以及CS的幫助下，游戲開發者便可以越過復雜的數據結構，并在這些數據結構中運行更多的通用算法。與其他完整的可編程的DX10和DX11管線階段一樣，CS將會共享一套物質資源（也就是著色處理器）。

    在硬件支持Compute Shader之后，相應的硬件必須要比當代硬件更加靈活，因為在運行CS代碼的時候，硬件必須支持隨機讀寫、不規則列陣（而不是簡單的流體或者固定大小的2D列陣）、多重輸出、可根據程序員的需要直接調用個別或多個線程、32k大小的共享寄存空間和線程組管理系統、粒數據指令集、同步建構以及可執行無序IO運算的能力。

    Compute Shader可發揮的地方很多，游戲中可以使用GPU進行光線追蹤、A-Buffer采樣抗鋸齒、物理特效、人工智能AI等游戲特效運算。在游戲之外，程序員也可以利用CS架構進行圖像處理、后期處理（Post Process）等。

    Texture Compression（紋理壓縮）是一種和虛擬紋理類似的紋理管理方法，在很多情況下具有6倍以上壓縮比例的紋理壓縮都可以極其有效地減小紋理本身的大小，從而避免紋理傳輸和管理方面的瓶頸，并且可以獲得更加精細的畫面，由此看來其效率比虛擬紋理要高。

    DirectX 11加入了兩種新的壓縮算法——BC6和BC7。其中，BC6是專門針對HDR圖像設計的壓縮算法，壓縮比為6：1；而BC7是專門為LDR（低動態范圍）圖像設計的壓縮算法，壓縮比為3：1。

    上圖則是BC7針對LDR紋理的壓縮與傳統的BC3紋理壓縮對比。可以看出傳統的BC3紋理壓縮損失了大量的紋理細節，壓縮之后的效果也很不好。而采用BC7算法壓縮后的紋理，丟失的細節很少，效果也非常好，這就是改進紋理壓縮的魅力。

    上圖展示的是圖像通過BC6壓縮模式進行壓縮的前后效果對比圖。其中左邊的圖像為原始圖像，中間的是在壓縮過程中損失的一些細節，而右邊的就是壓縮后的圖像。可以看出，從畫質上來看幾乎沒有損失（肉眼看不出），但是卻可以大幅度降低顯存的占用。

    ● 著色器模型變化歷程與總結

    在圖形渲染中，GPU中的可編程計算單元被稱為著色器（Shader），著色器的性能由DirectX中規定的Shader Model來區分。GPU中最主要的可編程單元式頂點著色器和像素著色器。

    為了實現更細膩逼真的畫質，GPU的體系架構從最早的固定單元流水線到可編程流水線，到DirectX 8初步具備可編程性，再到DirectX 10時代的以通用的可編程計算單元為主、圖形固定單元為輔的形式，最新的DirectX 11更是明確提出通用計算API Direct Compute概念，鼓勵開發人員和用戶更好地將GPU作為并行處理器使用。在這一過程中，著色器的可編程性也隨著架構的發展不斷提高，下表給出的是每代模型的大概特點。

    表：Shader Model版本演化與特點

Shader Model	GPU代表	顯卡時代	特點
	1999年第一代NV Geforce256	DirectX 7 1999~2001	GPU可以處理頂點的矩陣變換和進行光照計算（T&L），操作固定，功能單一，不具備可編程性
SM 1.0	2001年第二代NV Geforce3	DirectX 8	將圖形硬件流水線作為流處理器來解釋，頂點部分出現可編程性，像素部分可編程性有限（訪問紋理的方式和格式受限，不支持浮點）
SM 2.0	2003 年 ATI R300 和第三代NV Geforce FX	DirectX 9.0b	頂點和像素可編程性更通用化，像素部分支持FP16/24/32浮點，可包含上千條指令，處理紋理更加靈活：可用索引進行查找，也不再限制[0,1]范圍，從而可用作任意數組（這一點對通用計算很重要）
SM 3.0	2004年 第四代NV Geforce 6 和 ATI X1000	DirectX 9.0c	頂點程序可以訪問紋理VTF，支持動態分支操作，像素程序開始支持分支操作（包括循環、if/else等），支持函數調用，64位浮點紋理濾波和融合，多個繪制目標
SM 4.0	2007年 第五代NV G80和ATI R600	DirectX 10 2007~2009	統一渲染架構，支持IEEE754浮點標準，引入Geometry Shader（可批量進行幾何處理），指令數從1K提升至64K，寄存器從32個增加到4096個，紋理規模從16+4個提升到128個，材質Texture格式變為硬件支持的RGBE格式，最高紋理分辨率從2048*2048提升至8192*8192
SM 5.0	2009年 ATI RV870 和2010年NV GF100	DirectX 11 2009~	明確提出通用計算API Direct Compute概念和Open CL分庭抗衡，以更小的性能衰減支持IEEE754的64位雙精度浮點標準，硬件Tessellation單元，更好地利用多線程資源加速多個GPU

    傳統的分離架構中，兩種著色器的比例往往是固定的。在GPU核心設計完成時，各種著色器的數量便確定下來，比如著名的“黃金比例”——頂點著色器與像素著色器的數量比例為1：3。但不同的游戲對頂點資源和像素資源的計算能力要求是不同的。如果場景中有大量的小三角形，則頂點著色器必須滿負荷工作，而像素著色器則會被閑置；如果場景中有少量的大三角形，又會發生相反的情況。因此，固定比例的設計無法完全發揮GPU中所有計算單元的性能。

    頂點著色單元（Vertex Shader，VS）和像素著色單元（Pixel Shader，PS）兩種著色器的架構既有相同之處，又有一些不同。兩者處理的都是四元組數據（頂點著色器處理用于表示坐標的w、x、y、z，但像素著色器處理用于表示顏色的a、r、g、b），頂點渲染需要比較高的計算精度；而像素渲染則可以使用較低的精度，從而可以增加在單位面積上的計算單元數量。在Shader Model 4.0之前，兩種著色器的精度都在不斷提高，但同期頂點著色器的精度要高于像素著色器。

    Shader Model 4.0統一了兩種著色器，所以頂頂點和像素著色器的規格要求完全相同，都支持32位浮點數。這是GPU發展的一個分水嶺；過去只能處理頂點和只能處理像素的專門處理單元被統一之后，更加適應通用計算的需求。

    DirectX 11提出的Shader Model 5.0版本繼續強化了通用計算的地位，微軟提出的全新API——Direct Compute將把GPU通用計算推向新的巔峰。同時Shader Model 5.0是完全針對流處理器而設定的，所有類型的著色器，如：像素、頂點、幾何、計算、Hull和Domaim（位于Tessellator前后）都將從新指令集中獲益。

GPU執行FFT性能將在未來迅速提升

    如圖，快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）有廣泛的應用，如數字信號處理、計算大整數乘法、求解偏微分方程等等。SIGGRAPH2008峰會認為未來隨著Compute Shader和新硬件、新算法的加入，GPU執行FFT操作的性能將得到快速提升。

    如果使用DirectX 11中的Computer Shader技術，API將能借助GPU充裕的浮點計算能力進行加速計算，則能輕易完成大量的FFT（傅里葉變換）。在圖形渲染中，這項技術的運用極大地提高了波浪生成速度，而且畫面質量也更好。

    以往受限于浮點運算性能，目前CPU進行FFT變換只能局限在非常小的區域內，比如64x64，高端CPU最多能達到128x128，而GTX 280則能實現每幀512x512的傅里葉變換，所用時間不過2ms，效能非常高。

posted on 2010-05-06 22:45 CrazyDev 閱讀(568) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: 圖形技術