刨根問底！曲面細分技術到底是個啥？
泡泡網(wǎng)顯卡頻道8月13日 有競爭的地方總會有爭吵，雖然偶爾感覺聒噪，但也總比鴉雀無聲來的好些，畢竟說明這地方還有人煙，還有關注。
都在說DIY市場受到了整機，特別是筆記本很大的沖擊，但一個DX11的發(fā)布，還是引來了NVIDIA和AMD雙方聲嘶力竭的對吼，顯然說明這個市場還是蓬勃的，至少大家還都很重視，不愿輕易輸這一陣。我們也樂見雙方這樣的爭吵出現(xiàn)，畢竟這表示它們沒有倦怠，還在通過產(chǎn)品技術的升級進行著宿命般的偉大競爭。
但猶如神仙打架，我們這些凡人也只是看著天上彩云飛舞，雷電交加，熱鬧看夠卻不知其然。不小心哪位神仙的天兵跌落凡間，沒準還要殃及無辜。就好象這次雙方的DX11大戰(zhàn)，不管是率先發(fā)難的AMD還是奮起直追的NVIDIA，都把焦點集中到了一個很長的名字上——Tessellation！口水仗打了不少，其實也沒幾個普通用戶了解這是個啥，有啥作用。這個名詞普遍被接受的中文翻譯叫做“曲面細分”，在專業(yè)領域也往往被稱作“鑲嵌”，由于國內(nèi)IT媒體普遍采納了“曲面細分”這樣一個稱呼，所以在后文中，我們也從善如流，使用這個稱謂。
實際上，曲面細分絕不是DX11更新的全部內(nèi)容，從某種角度看，甚至稱不上最具革命性的更新。那為什么A/N雙方對于曲面細分這樣的在意，寸土不讓，NVIDIA以GTX400系列擁有超強的曲面細分性能而自居，而AMD在開始推廣DX11顯卡時也把重點放在了對它的訴求上，甚至目前被最廣泛使用的DX11測試程序Heaven也基本是圍繞著曲面細分來做文章？
簡單的講，雖然在改善增強畫質方面DX11有不少新特性，但在短期內(nèi)可以立竿見影看到效果，游戲開發(fā)商最容易掌握的就是曲面細分技術。這種容易使用又能出效果的東西，在DX11普及的漫長的初級階段，將會是最能代表DX11效果和性能的技術，自然會引來各方關注。所以大家也就理解了為什么NVIDIA和AMD在這個問題上爭吵不休了。
那曲面細分到底是什么？能為我們這些普通玩家?guī)硎裁?？這正是本文要重點講述的內(nèi)容，讓大家知其然后，自己判斷它能否左右您的選擇。
當廠商以及用戶開始神話曲面細分的時候，可能它自己都沒想到能有這樣出人頭地的一天。實際上曲面細分也是DX11收編的“散兵游勇”。
曲面細分最早出現(xiàn)在專業(yè)領域，在蟄伏了多年后，終于被AMD引入到PC圖形技術中，通過R600系列的發(fā)布，見諸于桌面圖形市場。但由于沒有微軟給予的官方身份，專屬性太強，無論是其它圖形核心生產(chǎn)廠商，還是游戲開發(fā)商，都很難也不愿意去跟進這樣的技術。幸好AMD為微軟打造的XBOX360圖形核心Xenos采用了它，由于主機市場的封閉性，所以XBOX360的大量游戲中都采用了曲面細分技術，微軟親自體驗到了它的好處，并終于在DX11中收編，通過自己的標準強勢推廣，否則還真不知道它要在邊緣徘徊多久。
實際上，我們所說的曲面細分的作用，只是機械的為一個多邊形模型增加更多的多邊形數(shù)量，這就是其核心內(nèi)容，如果不加前后期控制，這樣的技術對于提升圖形效果起不到任何作用，對于性能反而還會起到負面影響。
之所以在DX11中，曲面細分會有改善畫質的作用，我們通過一張DX11流水線圖的觀察就能發(fā)現(xiàn)其原因。在增加了Tessellator外，流水線前面還多出了Hull Shader后面還增加了Domain Shader兩個模塊，也就是說要想通過曲面細分獲得圖形效果提升，必須在曲面細分前后加以人工控制，不能任由其發(fā)揮。
對于Hull Shader、Tessellator、Domain Shader這三個新加入的單元的作用，上面這張圖給予了較為明確的回答。Hull Shader主要負責定義細分等級（LOD）和相關控制點在細分中的“形變”趨勢，這里的形變之所以加引號，是要說明這種形變僅僅是類似于曲率改變等小幅度的變化，而非大幅度的多邊形位移；Tessellator則負責根據(jù)HS傳輸下來的信息，通過暴力增加多邊形去實現(xiàn)HS的要求；Domain Shader負責的最重要的功能就是通過貼圖控制的方式，實現(xiàn)模型的形變，也就是我們大家在DX11的細分曲面中看到的高細節(jié)畫面。
通過上述的分析，大家應該可以得出一個結論，實際上細分曲面負責的僅僅是為后續(xù)的提升畫質的運算提供物質基礎，無論是置換貼圖和平滑效果，都需要有大量多邊形的存在才能實現(xiàn)。試想，如果開發(fā)者想在一個三角形上通過置換貼圖實現(xiàn)一座城市的地貌效果，空有精美的置換貼圖，區(qū)區(qū)三個頂點如何形變拉伸？巧婦難為無米之炊，但如果給你100000個頂點呢，事情就容易多了。
實際上，從用戶的角度講，這一段的內(nèi)容并不重要，從曲面細分上獲得什么樣的快樂才是他們關心的，而非原理。
我們已經(jīng)知道，曲面細分的作用是在原有模型上，將多邊形數(shù)量大幅增加。一個原來只有100個三角形構成的模型，突然間被賦予了100000個三角形，游戲開發(fā)人員能如何利用這些多出來的免費資源？或者說，玩家如何看出100000個多邊形的模型和100個多邊形模型的區(qū)別？
由于現(xiàn)在桌面級圖形技術都是基于多邊形建模原理，所以無論是四邊形、三角形、圓形，還是任意形狀，都是由數(shù)量有限的三角形構成的。這就導致我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)物體，特別是本應圓滑的物體出現(xiàn)生硬的邊緣，即使粗看下是圓滑的邊緣，在放大觀察的情況下，也是由一條條直線連接而成，這都是因為多邊形數(shù)量不足造成的。如果想要獲得能欺騙視覺的圓滑效果，就必須將多邊形數(shù)量提升到一定程度。
舉個例子，現(xiàn)在不再火熱但卻更加風情萬種的勞拉小姐，在《古墓麗影》第一代中出現(xiàn)的時候，全身都是“硬朗”風格的直線條，號稱肌肉美女。但并不是游戲開發(fā)人員希望把勞拉變成史泰龍，而是在當時圖形運算能力極為有限的情況下，多邊形數(shù)量必須嚴格控制，否則游戲速度就不能得到保證。而在最新的《古墓麗影》版本中，由于硬件機能的極大提升，多邊形已經(jīng)不是游戲開發(fā)者值得顧慮的問題，勞拉又回歸了最初設定的性感豐滿，只是玩家的熱情和游戲的素質不再了。
還有，當年最紅的FPS游戲《Quake III Arena》，當我們把幾何細節(jié)開到最高的時候，包括門洞等模型都將呈現(xiàn)出比較圓滑的過度，而當幾何細節(jié)降低后，依然是丑陋的三腳邊。雖然id software給這種技術其了很拉風的名字，但實際內(nèi)容還是通過更多的多邊形去近似描繪圓滑表面。
以上的兩個例子都說明了一個問題，當多邊形數(shù)量提升后，我們將會獲得更平滑圓潤的模型，而曲面細分正式能相當輕松的提供給游戲開發(fā)者數(shù)量極為龐大的多邊形去使用，結果自然是讓100個三角形的簡陋模型變成了100000個三角形的圓潤模型。玩家看到的圖形效果也就獲得了提高，這正是細分曲面提升畫質的第一重作用。
同樣還是那個由100個三角形組成的模型，同樣還是免費的將它升級到100000個三角形，但是這個模型從勞拉變成了怪獸，我們不再需要圓滑，而是豐富可信的細節(jié)，這100000個多邊形能有什么作用？
很多用戶都知道凹凸貼圖（Bump Mapping）、法線貼圖（Normal Mapping）等技術，可以通過貼圖的方式提升模型的細節(jié)。但是這些貼圖技術只是通過欺騙肉眼的方式模擬出細節(jié)，而且不能進行深度較大的視角偏移或者拉近觀看，否則很容易看出破綻，因為它們都不能對模型本身做任何處理，可以說是光影的欺騙術。
而通過曲面細分技術產(chǎn)生的數(shù)量巨大的多邊形，就給了模型一個“重生”的機會，以為更多的頂點可以通過人工控制的方式實現(xiàn)真實的頂點位移，直接對模型的外形產(chǎn)生影響，讓模型具備真實可信的細節(jié)。而利用這大量免費多邊形產(chǎn)生模型頂點位移的技術就被稱作置換貼圖（Displacement Mapping）。
置換貼圖是通過一張深度貼圖（實際上可以理解為一張黑白貼圖，通過黑白深淺的不同來確定對應的頂點的偏移量），來控制通過曲面細分產(chǎn)生的大量頂點，制造出實際的模型位移，使得模型的細節(jié)大幅提升，明顯改善畫面質量。從實際的意義和效果上說，這將遠比簡單的平滑模型來的更重要，對于畫面的改善效果也更明顯。
舉個例子來說明更容易理解。以目前被廣泛使用的DX11測試軟件Heaven而言，在開啟曲面細分后（實際上是開啟了曲面細分+置換貼圖的組合），畫面的細節(jié)程度被極大的提升了，無論是地磚的溝槽還是紅龍身上的褶皺骨骼細節(jié)，都被細致的描繪了出來，而且由于是通過對模型頂點的位移操作，這些多出來的細節(jié)還能產(chǎn)生真實的陰影等效果。反觀在關閉曲面細分選項后，一切歸于平靜，城市不再華麗，紅龍也不再威嚴。
置換貼圖由于需要大量的頂點去進行位移，所以需要模型具備足夠數(shù)量的多邊形，而曲面細分做的事情也正是如此，這也就成為了它提升畫面質量的第二重作用。
文字寫道這里，相信大家應該明白，曲面細分技術確實可以幫助用戶獲得更好的畫面質量，簡單的說，是個有用實用的好技術。但是很多好技術，由于在實際運用中遇到了種種問題，最后也是無疾而終，曲面細分是否也會遇到同樣的問題而夭折呢？特別是對于游戲開發(fā)商而言，一個技術是否容易被使用才是他們更關心的，容易使用和好效果之間，開發(fā)商往往選擇前者，特別是PC游戲開發(fā)商，大部分都是在工期+預算的雙重壓力下趕工，好用可能是他們評價一種新技術的唯一標準，因為你不能指望到處都是暴雪，到處都是山內(nèi)一典的《GT5》。
前文我們明確了曲面細分能帶給來的兩種提升畫質的方式，在下面的章節(jié)中我們將分開闡述這兩種方式中可能遇到的問題，以及曲面細分能否解決或者如何解決。
從容易使用的角度看，曲面細分自動生成大量的多邊形數(shù)量去實現(xiàn)模型的圓滑效果，這個對于開發(fā)人員而言應該是非常容易使用的，所以開發(fā)商接受起來并不難。
但是這里產(chǎn)生了一個很有趣的問題，由于產(chǎn)生多邊形是自動的，可以說產(chǎn)生圓滑效果也是自動的，如何控制哪里不產(chǎn)生圓滑效果反而是開發(fā)人員需要考量的問題，看似可笑，實際上這樣的問題確實存在，并且扼殺過一些曲面細分的早期版本。
如果是對于顯卡發(fā)展比較了解的用戶可能會記得AMD在RADEON 8500時代推出的Truform技術，實際上這也是一種曲面細分技術，只不過它僅僅是只能自動生成多邊形而已，缺乏相對應的控制手段。在AMD的演示中，Truform確實可以把一些看起來見棱見角的模型進行優(yōu)良的圓滑處理，但在實際游戲中，這種“地毯式”的圓滑處理就暴露出了問題。
當時最知名的Truform BUG就是在《英雄薩姆》中，將本開線條硬朗的機槍“圓滑”了，使得我們的英雄端著一把很有喜感的圓肚沖鋒槍周旋于滿屏幕的怪物中。也正是由于這個原因，Truform失敗了。
而DX11中的細分曲面技術，在開發(fā)階段就已經(jīng)看到了前人翻船的水坑，最大限度的避免同類問題發(fā)生。這也就是在DX11渲染管線中不僅僅增加了Tessellator單元，還在之前加入了Hull Shader的作用。Hull Shader作為一個控制器，可以根據(jù)開發(fā)者的意圖，去判斷哪里需要增加多邊形達到圓滑的效果。
這種判斷實際上也并不困難。在細分曲面出現(xiàn)前，一個多邊形數(shù)量不高，但又需要圓滑效果的模型，一般都是用軟邊（Soft Edge）、硬邊（Hard Edge）的方式去實現(xiàn)。實際上，也就是通過對發(fā)現(xiàn)的操作達到圓滑顯示的效果。
我們可以通過上圖去說明這是如何實現(xiàn)的。同樣的一個模型，多邊形數(shù)量并不多，左側的模型進行了軟邊處理，使得模型看上去圓滑了很多；右邊的是原始的，或者說是硬邊處理的模型，能清楚的看到模型上的棱角。
在很早以前，游戲中就已經(jīng)采用了這種技術，而軟邊和硬邊的操作在法線上是不同的，而Hull Shader就可以根據(jù)程序員的指令去判斷這種差異，并告知Tessellator該為哪個模型或者模型的哪個部分去進行曲面細分，從而達到可控圓滑模型的效果?？煽匦猿蔀榱薉X11曲面細分勝于之前同類技術的關鍵。
細分曲面另外一種提升畫質的方式是通過置換貼圖實現(xiàn)的，而這里就需要大量的后期控制，也就是說在大量頂點生成后，通過什么方式去控制這些新增加的頂點形變，以期達到我們想要的增加模型細節(jié)的目的。
實際上，控制新增加頂點形變的手段并不只有置換貼圖一種方式，只不過它是被用到最多也相對來說比較容易的，所以我們在前文中一直是用“置換貼圖”來表述形變控制。大體而言，形變控制除了用置換貼圖外，還可以使用程序控制的方式。
由于通過細分曲面新產(chǎn)生的大量新頂點都是實際存在的，也就是都有三維空間坐標，通過一定程序的制定，就可以控制這些坐標進行位移，如果說通過貼圖控制是靜態(tài)的，那通過程序控制就是動態(tài)的，因為在程序中我們可以加入很多種變量，讓頂點呈現(xiàn)不斷的變化，比如說水面或者飄動的旗幟。
通過Occean technology demo這個測試可以非常明顯的觀察到，打開曲面細分技術，并且調(diào)節(jié)細分級數(shù)的不同，海面將呈現(xiàn)出明顯不同的變化。特別是當級數(shù)提升后，海面的細節(jié)就變得極為豐富逼真。實際上去控制海面變化效果的程序代碼是一樣的，但是由于可控制頂點數(shù)量的不同，所以呈現(xiàn)出來的效果也就出現(xiàn)了不同，這就是曲面細分在這里發(fā)揮的作用。
實際上，在DX11曲面細分技術出現(xiàn)之前，這類效果就已經(jīng)開始被使用了。在目前依然頂著最強畫質頭銜的《Crysis》中，Crytek2引擎就采用了一種叫做Screen-Space Tessellation的技術，實際上就是通過程序去控制大量的曲面細分頂點制造出逼真的海洋效果，再配合游戲本身出眾的光影技術，使得效果更佳逼真。
AMD在演示HD5000系列的曲面細分效果時，展示了一個經(jīng)過曲面細分處理后的旗幟擁有了更自然順暢的飄動效果。這就是當頂點數(shù)量增加后，通過重力、風等物理程序控制的效果更佳連貫的結果。
雖然通過程序控制頂點形變效率很高，但是這種效果只能適用于無序、大面積的場景中，比如像海洋這樣的自然地貌。如果需要針對特定的模型，進行特定的控制，比如說游戲人物，我們還是要動用前面說過的置換貼圖技術。而置換貼圖本身實際上又可以分為兩種不同的方式去操作。
所謂的兩種方式，實際上是指用以置換的貼圖獲得方式的不同，這對于用戶而言是不可見的差別，但對于游戲開發(fā)商而言，就存在難以的差別。
第一種方式，實際上在早前的一些游戲引擎的介紹中，已經(jīng)講述過很多次，只不過當時我們談論的不是置換貼圖，而是法線貼圖。就是在游戲開發(fā)的前期，模型師就建立一套高細節(jié)的模型，然后通過“烘焙（BAKE）”的方式將這些細節(jié)信息保存成一張置換貼圖，然后在游戲中通過這張貼圖的信息去控制曲面細分出來的數(shù)量眾多的頂點。實際結果就是一個低多邊形模型通過曲面細分+置換貼圖達到了與高細節(jié)模型相同的效果。
這種方式可以獲得效果非常好的的置換貼圖，但開發(fā)商要在前期建立一個高細節(jié)模型，其開發(fā)成本實際上并沒有太多的降低。不過隨著像ZBrush這類建模軟件的成熟，制作一個高細節(jié)模型也并不是什么太復雜的事情了。以上是《虛幻3》中的法線貼圖制作流程，實際上和置換貼圖的制作過程一樣。
第二種方式，就讓游戲開發(fā)商非常省心省力了，因為根本就不用制作專門的置換貼圖，這樣就節(jié)省了大量的開發(fā)成本和開發(fā)周期。
我們都知道一般模型至少會有一張色彩貼圖，而色彩貼圖中的Alpha通道所包含的信息，就可以直接當作置換貼圖使用，當然如果利用凹凸貼圖去做效果會更好一些。上圖就是利用專業(yè)圖形軟件MAYA去簡單展示的利用色彩貼圖中Alpha通道信息去控制頂點的效果。
當然，這種貼圖本身所包含的信息并不是針對頂點位移控制建立的，所以在精度上不是很高，用來對人物模型使用可能并不合適。但對于場景，比如像Heaven中的地轉，墻壁等部位使用就非常合適了，其效果與專用的置換貼圖相差無幾。
通過這篇文章，我們盡量希望通過簡單的語言描述，為大家去講解DX11中曲面細分的作用和意義，以及對于用戶而言可以獲得哪些實際的畫面提升感受，并針對這些技術是否容易被開發(fā)商采用而廣泛的出現(xiàn)在更多的游戲作品中。
大量使用曲面細分技術的《天堂2.0》中，N卡遙遙領先于A卡
相信大部分讀者已經(jīng)認同，曲面細分是一項很優(yōu)秀的技術，但是曲面細分實際上只是一個中間過程，并非我們最后看到的結果。曲面細分產(chǎn)生的大量多邊形，在人為控制下產(chǎn)生的各種形變才是改善畫面質量的根本因素，這是一個相輔相成的過程。
對于開發(fā)商而言，一款好技術如果不容易使用，也會被拋棄。而在我們分析的幾種情況下，曲面細分實際上都還算是容易使用的，而且在之前開發(fā)商通過其它同類相關技術已經(jīng)積累了不少經(jīng)驗，相信在未來的游戲中我們會越來越多的看到由曲面細分技術為我們帶來的驚艷視覺效果。
是個好技術，容易被使用，確實能夠改善畫面質量，那結論自然是用戶需要曲面細分，而且會越來越多的需要。這就告訴了我們一個現(xiàn)實的問題，當游戲越來越多的使用曲面細分的時候，顯卡本身是否有足夠強大的曲面細分引擎就成為了關鍵。雖然目前NVIDIA和AMD都已經(jīng)推出了DX11級別的顯卡產(chǎn)品，但在測試中已經(jīng)表明，NVIDIA GTX400系列顯卡擁有明顯超越對手的曲面細分能力，這在未來的應用中將會幫助使用NVIDIA GTX400顯卡的用戶獲得更好的游戲體驗?！?
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