七年磨一劍!DX11之ATI獨門絕技全解析
2009年6月3日，ComputeX臺北電腦展第二天，AMD放出了本屆展會的重磅炸彈——業(yè)界首顆采用40nm工藝制造的DirectX11規(guī)格GPU，代號為“Evergreen”，也就是傳說中的RV870核心。而且還現場展示了運行中的RV870顯卡及首個DX11演示Demo，DX11距離最終用戶不遠了！
AMD高級副總裁Rick Bergman與臺積電先進技術市場部高級主管John Wei聯手拿出的展示用晶圓被密封在一個紀念相框里，里邊的文字是“謹以此紀念AMD與臺積電合作推出首個AMD DX11 40nm GPU硅晶圓”，下有臺積電CEO兼總裁蔡力行的簽名，時間是2009年6月。
此前AMD已經正式發(fā)布了首顆40nm GPU RV740，由此證明臺積電40nm工藝已開始量產。此次AMD公開展示RV870的晶圓，這就意味著新一代DX11顯卡已經設計完成，只待時機成熟即可正式發(fā)布。
那么在DX11時代即將來臨之際，我們先來深入研究DX11可以帶給我們什么，會有DX9C過渡到DX10那樣革命性的進步嗎？未來的3D世界能精彩到什么程度？
據可靠消息表明，AMD的DX11顯卡、微軟的DirectX 11 API和Windows 7操作系統(tǒng)將會在同一時間發(fā)布，也就是2009年10月至11月間。事實上目前釋放的Windows 7測試版已經內置了對DX11的支持：
我們知道，為了強行推廣Vista系統(tǒng)，微軟在Vista當中捆綁了DX10 API，并限制XP無法支持DX10，于是為了玩最新的DX10游戲，玩家們被迫升級Vista。此次微軟在Win7當中捆綁DX11，會不會也限制Vista不支持DX11呢？
答案是否定的，由于Win7和Vista使用了相同的驅動程序模型，因此Vista也能升級支持DX11。另外，Win7無論速度、效率、功能都大大優(yōu)于Vista，Win7在測試期間所獲得的好評遠超當年Vista的表現，因此微軟沒必要使用下三濫的手段強迫玩家升級Win7，相信會有不少人第一時間“自愿”升級至Win7。
事實上，通過對本屆ComputeX展會的報道來看，泡泡網友對Windows 7操作系統(tǒng)的期待程度甚至還要高于AMD的DX11顯卡。看來Win7和DX11又將掀起一番軟硬件升級熱潮！
現在我們就來對DirectX 11進行詳細分析，嚴格來講DX11并不是一套全新的API，DX11是DX10的一個超集，就如同Win7之與Vista。簡單的說DX11就是基于DX10開發(fā)的技術，主要對DX10的功能一些改進和擴展，并進一步提高GPU的執(zhí)行效率（聽起來是不是跟Win7&Vista的關系很像），當然這個改進要比DX10.1多很多。
DX11能夠同時兼容DX10的軟硬件，而且不需要像DX9過度DX10那樣對驅動程序底層架構做大幅更改。事實上目前Win7和Vista的很多驅動都能互相通用，AMD和NVIDIA也先后發(fā)布了Win7/Vista一體化的顯卡驅動。
那么DX11相對于DX10有何重大改進呢？DX11最關鍵的特性有以下五點：
1. Compute Shaders：計算著色器
2. New Instruction Set：新指令集
3. HDR Compression：高動態(tài)范圍紋理壓縮
4. Multi-Threading：多線程
5. Tessellation：拆嵌式細分曲面技術
其中，Tessellation技術相信很多人都有印象，沒錯，它就是ATI第一代DX10核心R600(HD2900XT)中的一個特殊模塊，從HD2000系列開始、到HD3000再到如今的HD4000系列，ATI的每一款DX10顯卡都支持這項技術，雖然還沒有任何一款游戲能夠支持該技術，但ATI依然孜孜不倦的對它提供支持，因為ATI堅信——是金子總會發(fā)光的！
終于在DX11時代，微軟將Tessellation作為一項重要標準納入規(guī)范之中，這項被埋沒多年的技術得以重見天日。那么Tessellation究竟是何方神圣，讓ATI技術人員如此執(zhí)著，微軟到底是“禁不住軟磨硬泡”、“勉為其難”的吸納之，還是為其先進的特性所傾倒，欣然接納之？故事還得從七年前的Radeon 8500系列談起……
● 2002年R200：Tessellation的鼻祖N-Patch及TruForm
話說2001年7月的時候，微軟即將推出DirectX最新的8.1版本，所以就在Meltdown2001會議上把ATI、NVIDIA等一干圖形技術公司叫來開會，一起商定DX8.1的一些技術細節(jié)。這次會議可以說是圖形圖像界的“華山論劍”，不光有主辦商及核心廠商可以參加，媒體甚至也可以買票入場，票價是650美元，當時著名的八卦網站TheInquirer就參加了這次會議(要不是它我們就不知道這段典故了)。據他們報道，由于技術細節(jié)方面的爭執(zhí)比較大，NV和微軟的關系搞得有點僵，而且NV拒簽當時正在開發(fā)的DX9協(xié)議。
2001年7月 西雅圖 ATI無疑成為了Meltdown2001的主角
原始模型和經過N-Patch處理之后的效果
N-Patch技術的原理是這樣的：GPU在讀取了一個模型之后，判斷每個三角形三個頂點的法線向量，再根據這三個向量算出插入的頂點的位置。如此一來就能將一個簡單的、有棱有角模型通過“差值”的算法實時處理成為復雜的、圓滑的模型，在當時GPU運算能力極為有限的情況下，N-Patch技術可以大幅提升3D模型的細節(jié)和顯示效果。
NPatch技術非常適合于將一個模型變得“圓滑”。因此非常適合于一些有很多曲面的模型。因為對于曲面的表現，通常的表現方法只是盡量多的使用內割多邊形或者外切多邊形來模擬曲面的效果。N-Patch技術的巧妙之處就在于算法簡單，只要進行多次遞歸運算，就能將一個面做成一個高次曲面，N－Patch這個詞的本意也就是一個N次曲面。
次年(2002)，在ATI的R200(Radeon 8500)顯示芯片中，就率先采用了N-Patch技術，在ATI自己的官方介紹中稱之為“TruForm”。
● TruForm技術的BUG：
TruForm的好處是效率會比位移貼圖高，以極低的資源消耗實現較好的顯示效果。不過呢，這個技術比較適合于海豚、賽車等表面為曲面的模型上，而如果這個技術應用在坦克等不需要做曲面化的模型上的時候，效果就會變得相當的滑稽。
雖然TRUFORM技術非常具有創(chuàng)意，而且還能給大家?guī)硪庀蟛坏降目鞓?，但是這一技術的應用情況并沒有像微軟和ATI所期望的那樣。正是因為產生了這一滑稽的BUG，TruForm在整個DX9a/b/c時代便銷聲匿跡了。<
● 2005年Xenos：Tessellation登陸XBOX360主機
由于考慮不周導致技術不成熟的原因，ATI在DX9時代不再整合TruForm功能。但是，微軟和ATI都沒有放棄這一極具創(chuàng)意的技術，N-Patch/TruForm的設計初衷就是節(jié)約GPU資源，通過簡單高效的手段讓低模3D游戲搖身變?yōu)楦咂焚|模型。
到了2005年，在微軟與ATI的合作結晶——專為XBOX360設計的圖形芯片Xenos當中，經過改進的N-Patch/TruForm技術重出江湖，這次它有了一個很響亮的名稱——Tessellation，直譯為“拆嵌”意譯為“細分曲面”。
此次微軟和ATI吸取了教訓，Tessellation不再像TruForm那樣自作聰明的對所有模型強制進行曲面細分化，而是按照不同游戲中特定模型的需求有針對性的處理。因此以往的BUG不復存在了，但需要游戲本身提供支持才能生效。
應用了Tessellation技術的XBOX360游戲畫面
通過為數不多的支持Tessellation技術的XBOX360游戲來看，細分曲面技術讓模型細節(jié)變得極為豐富，事實上這些游戲專門挑選了一些動物模型讓Tessellation處理——這顯然是它的拿手絕活！
除了大幅提升模型細節(jié)和畫質外，Tessellation最吸引程序員的地方就是：他們無需手動設計上百萬個三角形的復雜模型，只需簡單勾繪一個輪廓，剩下的就可以交給Tessellation技術自動拆嵌，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！
不過，Tessellation技術依然具有局限性，而且很多游戲開發(fā)商都在跨平臺開發(fā)游戲，對于這項只有XBOX360支持、PS3和PC顯卡都不支持的技術不感興趣，因此支持Tessellation的XBOX360游戲屈指可數。
Xenos這顆基于R580核心的特殊DX9C GPU，除了首次支持Tessellation和當時先進的HDR+AA技術外，還第一次采用了統(tǒng)一渲染架構，這些技術都被ATI改進并沿用到了DX10時代。
● 2007年R600：Tessellation臥薪嘗膽
現在看來，R600核心是一款非常失敗的產品，功耗高、發(fā)熱大、性能低、AA效能差，但是當R600(320SP)的架構擴充至RV770(800SP)的規(guī)模時，就沒人敢輕易對這套體系架構評頭論足了。事實上R600的失敗在于冒險采用80nm工藝、512Bit環(huán)形總線、以及Shader AA，而其核心架構的運算能力并不輸給競爭對手，因而一直被沿用至RV670、RV770還有未來的RV870身上。
R600除了完全按照DX10和統(tǒng)一渲染架構設計外，還整合了一個特殊的模塊：Programmable Tessellator，可編程拆嵌器。由于這個可有可無的模塊占用晶體管并不多，因此AMD之后的全系列DX10 GPU中都集成了可編程拆嵌器。
R600核心架構圖
這個可編程拆嵌器可要比XBOX360高明很多，R600核心能夠根據3D模型中已經有的頂點，根據不同的需求，按照不同的規(guī)則，進行插值，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技術讓模型變得更加細膩
現在我們就更容易理解Tessellation技術是怎么回事了，它是一種能夠在圖形芯片內部自動創(chuàng)造頂點，使模型細化，從而獲得更好畫面效果的技術。Tessellation能自動創(chuàng)造出數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計出來的。
R600的Tessellation技術支持多種決定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TRUFORM技術一樣，根據基礎三角形頂點的法線決定曲面。
2. 貝塞爾曲面，根據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領域常用曲線，在Maya中均有相應工具可以生成）
4. 通過遞歸算法接近Catmull-Clark極限曲面。
有了多種無比強大的曲面生成技術，在加上可編程的設計，程序員在開發(fā)游戲之初就能根據需要制定相關模型采用何種細分法則，從而避免出現變形和失真的問題。
而且，Tessellation過程被安排在了頂點著色之前，這就意味著Tessellation所創(chuàng)造出來的頂點全都可以參與Vertex Shader的處理和運算。這些頂點所帶來的所有細節(jié)，將具備所有特效。
基本的頂點模型，最終生成效果很幼稚
經過Tessellation智能拆嵌之后，模型精細了很多
拆嵌后再輔以各種陰影及著色效果，從而以很小的代價達到CG級別畫面
在R600發(fā)布時，AMD拿出了一款CG級別實時渲染的Demo，其中被積雪所覆蓋的山體就是由Tessellation生成的。以往的演示Demo都是片面注重對主角的修飾，而背景往往只使用簡單的紋理貼圖，而R600的這個Demo其背景和環(huán)境的精細程度甚至超越了主角Ruby。
HD3000/HD4000繼續(xù)支持Tessellation
可惜，時至今日，只有ATI的官方Demo使用了自家的Tessellation技術，還沒有任何一款PC游戲支持這項被孤立于DX10之外的非主流技術，看來僅靠AMD還是孤掌難鳴的。
● 2009年RV870：Tessellation被正式納入DX11，修成正果
在AMD的不懈努力下，雖然PC游戲開發(fā)商依舊無動于衷，但這個小小的可編程模塊卻受到了一些好萊塢CG影片設計公司的青睞，因為CG動畫對模型細節(jié)的精細程度要求十分苛刻，而Tessellation技術能夠以很小的資源開銷讓模型細節(jié)豐富百倍，這種近乎免費的畫質提升無疑是非常誘人的。
Tessellation能夠同時加強地形和人物皮膚細節(jié)
此后AMD將重心轉移至CG領域，并提出了Cinema 2.0的概念，為中小型圖形公司提供技術支持，靈活應用Tessellation技術來高效的創(chuàng)作視頻短片及廣告特效。因此在DX10時代，雖然ATI全線顯卡均支持Tessellation技術，但AMD卻沒有像DX10.1那樣做大張旗鼓的宣傳。
等到DX11正式接納Tessellation時，AMD已經是第六代技術了，真不容易
經過多年的發(fā)展，Tessellation已今非昔比，這款歷經磨難、飽受屈辱、在逆境中茁壯成長的技術現在更加靈活、高效、實用，微軟認為時機再次成熟，于是被名正言順的納入DX11的范疇。
消息一出，立馬就有回應。《戰(zhàn)地：叛逆連隊2》第一個跳出來聲援，號稱全球首款DX11游戲，該游戲使用了新版Frostbite Engine，而ATI R600 Demo使用的正是該引擎：
讓人印象深刻的雪山背景，這就是AMD與DICE合作開發(fā)的Ruby Demo
《戰(zhàn)地：叛逆連隊2》宏偉的雪山場景
《戰(zhàn)地：叛逆連隊2》豐富的地形及環(huán)境細節(jié)
據DICE渲染架構師Johan Anderson稱，從DX10到DX11的實際導入過程僅僅花費了三個小時，其中在代碼里搜索和替換相關部分最耗時間?，F在我們就不難理解戰(zhàn)地引擎升級支持DX11為何如此神速了，兩年前的戰(zhàn)地引擎就能支持Tessellation技術，現在只不過是查找復制粘貼重新找回被閑置的代碼而已，那還不是輕車熟路？
戰(zhàn)地引擎的使用者不在少數，看來Tessellation技術以及DX11很快就將進入實際應用階段，臥薪嘗膽的Tessellation終于重見天日！
如下的一部分截圖來自支持Tessellation的Frostbite Engine技術Demo，不清楚究竟是哪款游戲，又或者是引擎專門開發(fā)作為演示的。我們可以從中一窺該引擎的能力，尤其是對于自然環(huán)境的3D刻畫性能。
不可思議的地形細節(jié)
沒有絲毫遮蔽的宏大場景
再來看看《戰(zhàn)地：叛逆連隊2》官方公布的游戲截圖：
完全可破壞的游戲場景
煙霧和爆炸效果也不差
目前畫面最強的游戲非Crysis莫屬，但是這款依靠暴力模型和著色技術堆積而成的游戲，對顯卡的要求之高令人嘆為觀止，至今都沒有哪顆GPU敢打包票說能在最高特效下面流暢運行。也就是說Cryengine 3是絲毫沒有考慮現有GPU的性能而開發(fā)的一款超級引擎。
以高效率著稱的虛幻引擎締造者Tim Sweeney稱，想要把現有游戲模型復雜度提高數十倍是很容易的事情（比如CG模型），但同樣的你也需要數十倍與現有主機機能的顯卡才能流暢運行，比如三路甚至四路優(yōu)異系統(tǒng)，而這種系統(tǒng)的市場占有率連1%都不到，獨孤求敗的Crysis還賣不過快餐式的使命召喚系列、Cryengine至今無法染指游戲機領域就是這個道理。
所以，架空硬件的引擎是不可取的，唯有充分利用有限的GPU資源，通過各種輔助技術最大化畫面表現力，才是圖形技術公司和游戲開發(fā)商首當其沖要解決的內容。DX11并沒有帶來額外的特效，但卻大大提升了GPU的渲染效率，DX11游戲很容易就能從畫面到速度全面超越DX10游戲！
當然，Tessellation并不是DX11的全部，前面之所以用大篇幅介紹該技術，是因為這項技術歷史悠久、且命運極為坎坷、又與ATI的關系頗為密切。至于其他幾項DX11關鍵技術，之前我們已經撰文進行了詳細介紹，感興趣的朋友請看“圖形API再革命!DirectX 11新技術預覽”一文，此處僅作簡要介紹。
關于DX11 Compute Shader技術，計算著色器將以業(yè)界標準接口訪問ATI Stream技術，這對于倡導開放式GPU通用計算技術的AMD來說，又是一天大喜訊，DX11搭配OpenCL的并行計算雙保險，AMD面對NVIDIA的CUDA技術時，底氣將會更足一些。
DX11 Multi-Threading多線程技術，API底層對多GPU優(yōu)化支持，減少對驅動和游戲渲染模式的依賴。目前AMD的策略是專注于研發(fā)一顆主流價位的GPU，然后通過雙核心組成高端顯卡，再雙卡互聯組成四核優(yōu)異系統(tǒng)，因此多核系統(tǒng)嚴重依賴于驅動的優(yōu)化支持，而DX11的多線程技術顯然有助于提升多GPU并聯的工作效率，降低驅動開發(fā)難度及性能損失。
此外，Windows 7系統(tǒng)還內置了對GPU視頻轉碼的支持，微軟并沒有厚此薄彼的偏向任何一邊，但這顯然對于在GPU通用計算方面處于弱勢地位的AMD來說，意義更大一些。
AMD DX11顯卡的核心代號及最終產品型號都未確定，但AMD已經信誓旦旦的承諾將會搶先與對手正式發(fā)布DX11顯卡，據推測與Windows 7同期發(fā)布的可能性更大一些，也就是10月到11月之間。
而競爭對手NVIDIA方面，對于尚未發(fā)布的產品一直都是守口如瓶，對于未來的40nm和DX11新品只字不提，但據小道消息表明，NVIDIA的40nm GPU已經準備就緒（據傳是DX10低端顯卡），DX11顯卡也將會在年內發(fā)布，又一場3D爭霸賽即將上演，一同期待吧！<
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