全新3D技术-两大API更新换代

两大API更新换代
　　
　　毫无疑问，图形API是游戏开发和显卡GPU设计的参考基础，在即将拉开的图形升级大潮中，API的同步进化必不可少。微软将DirectX从9.0升级到9.0c版本，重点是以Shader Model 3.0来取代原来的Shader Model 2.0。OpenGL虽侧重于专业图形市场，但在id Software的大力支持下表现瞩目，8月份，让业界几乎望穿秋水的OpenGL 2.0终于发布。这两大API的革新给图形业注入了一剂强心针，它们究竟都带来了哪些变革？
　　
　　 DirectX 9.0c:Shader Model 3.0的魅力
　　
　　引入Shader Model 3.0是DirectX 9.0c最重要的革新。所谓“Shader Model”，指的是顶点渲染引擎（Vertex Shader）和像素渲染引擎（Pixel Shader），简单点说，前者负责多边形的生成，承担关键的任务，后者则将所有多边形顶点的三维坐标转换为适应屏幕显示的二维坐标，营造出视觉空间感。顶点渲染引擎和像素渲染引擎都有硬件和软件上的概念，我们在GPU架构图中看到多个“Vertex Shader”、“Pixel Shader”运行单元，对应的就是硬件部分。而在DirectX 9 API中，则是软件的概念，它们定义的是具体的算法和执行规则，有哪些特效技术可以使用等等。只有在API先将规则定义出来之后，显卡才可能将该功能实现，而游戏开发商也可以借助新API来开发游戏。
　　
　　相较前个Shader Model 版本，Shader Model 3.0带来了相当多的新特性新技术，如将浮点数据精度一举提高到32位，引入顶点纹理查询、次表面散射技术以提高光影表现力，开拓性的顶点复用技术则让未来游戏可展现出万马奔腾的盛大场面。另外，Shader Model 3.0在人性化方面有了相当多改善，如扩展了顶点／像素处理指令的长度，开发HLSL高级语言等等，这些措施都让DirectX的易用性明显提高，程序员们编写渲染程序的工作将变得更加轻松。
　　
　　 32位浮点精度
　　
　　在介绍UE3引擎时，我们就谈到32位浮点精度对未来游戏的重要性。实际上，是否拥有32位精度取决于图形API，Shader Model 2.0仍然停留在16位上，而Shader Model 3.0则将渲染精度提高到32位。可以预见，2006年出现的游戏将普遍采用32位数据精度。不过，高数据精度将导致运算量剧增，对GPU造成沉重的负担，目前顶级GPU的硬件能力还难以承受，这也是硬件厂商未来两年需要好好解决的问题。
　　
　　 顶点纹理查询：更快的位移贴图
　　
　　位移贴图是DirectX 9.0开始引入的贴图技术。传统凹凸贴图只是单纯对模型表面作贴图处理，因纹理本身仍为2D平面，用户如果贴近物体观看就会发现其光线和阴影不能准确反射、“立体感”并不逼真。DOOM3使用了多边形贴图技术（Polybump）来解决问题，而DirectX 9则是使用“位移贴图（displacement mapping）”技术，它使用一张基本纹理、一张光照纹理以及一张最为重要的高程纹理来完成模型外观的修饰。即便所使用的模型只是普通的平面，但经过位移贴图的精细处理之后，这个模型就可以演变生成一个立体感强烈、极度逼真的三维环境。在Shader Model 3.0中，微软为“位移贴图”增加了“顶点纹理查询”（Vertex Texture Lookups）的功能，通过对纹理实时查询处理，可使得位移贴图工作更高效进行。该技术将率先在UE3引擎中得到应用，只不过UE3称之为“虚拟位移贴图（Virtual displacement mapping）”而已。
　　
　　

　　
　　

图5 左为位移贴图，右为凹凸贴图，明显看出二者的立体感差异。

　　
　　 次表面散射与阴影效果
　　
　　次表面散射功能是Shader Model 3.0重要的技术亮点，它是一项对光线反射、折射、散射进行深加工的特殊技术。在不透明的三维模型中，光线在模型表面和不同深度的内部有着截然不同的表现，次表面散射技术可以对此进行专项处理，大家可在图6中的半透明头像模型看到该技术的卓越效果。
　　
　　在阴影处理方面，Shader Model 3.0主要引入了柔和阴影、环境阴影两项技术。柔和阴影可以对阴影作柔化处理，让阴影边缘常见的锯齿变得平滑。而环境阴影则允许将阴影投射到周围环境的表面，且允许阴影随着观察点移动而变幻。看得出，这项技术与DOOM3的“动态阴影效果”有某些相通之处。
　　
　　

　　
　　

图6 次表面散射技术可实现具有光照深度感的逼真半透明效果