全新3D技术-顶点复用流分频器

转载自：PCPRO
　　
　　

　　
　　

图7 顶点复用流分频技术让营造盛大3D游戏场面成为可能

　　
　　在好莱坞的大片中，我们经常都可以看到千军万马厮杀作战的盛大场面，但现在的3D游戏中依然只是单人任务，无法实现电影级的宏伟场景。原因并非是游戏开发的落后，而是技术限制使然。一个模型需要使用上百万个多边形，倘若屏幕上同时出现成千上万个模型，对硬件系统无疑是一场灾难。事实上，我们相信现在没有一个硬件平台可以胜任这样的恐怖任务。
　　
　　然而，Shader Model 3.0以一种巧妙的方法解决了问题。Shader Model 3.0引入一项“顶点复用流分频器”技术（Vertex Frequency Stream Divider），该技术允许模型调用已有的顶点资源，达到减轻多边形生成任务的目的。举个例子，倘若要创建一支包含1万名战士的军队，那么我们只要建立一个战士的三维模型，然后将其直接复制1万次。接下来，设计者定义出一万种不同的运动状态并分别将数据流随机赋值，我们便可以看到屏幕上出现了一支包含万名战士的庞大军队。尽管每个战士的外形完全相同，但它们的表情、动作都互不相同，倘若我们再多使用几个三维模型，所得效果与一一建模、渲染无异，而它并不会导致运算量的灾难性上升，相信两年后的桌面GPU完全可以轻松应付。
　　
　　 取消指令长度限制
　　
　　指令长度限制问题曾让不少程序员对DirectX API大为光火。Shader Model 1.0规定，顶点渲染指令长度最多不超过128条，像素渲染指令不超过96条。升级到2.0版本之后，顶点指令长度也只能达到256条，即便是在DirectX 9.0b中，指令长度也仅仅提高到512条。指令越长，设计者便可让一个程序完成更多操作，有利于设计出高复杂的渲染画面。但如果指令限制严格的话，程序员就需要将一个大渲染任务分解为几个小程序来完成，所造成的后果就是程序编写麻烦，执行效率低下，很难实现高精度的画面渲染。
　　
　　问题同样在Shader Model 3.0中得到解决。微软决定取消程序指令长度的限制，程序员可以使用任意长度的指令来编写渲染指令，这样不仅可营造出无比精美的3D场景，同时也因省略原本存在的大量跳转操作而提高了硬件利用率，为下一代高画质游戏开发扫除了后顾之忧。
　　
　　 引入HLSL高级程序语言
　　
　　引入HLSL高级语言同样是为程序员们考虑。过去，渲染程序所用的语言类似汇编，枯燥、晦涩不说，甚至也没有循环、分支等常见的控制功能，给开发工作造成很大的困扰。过去，nVIDIA试图以Cg（C for Graphics）语言来解决问题，但它并没有为业界广泛接受，而OpenGL联盟推出的GLSL（OpenGL shader language）语言则大获成功。有鉴于此，微软在Shader Model 3.0中也决定引入一种类似C++的HLSL高级语言，专门用于渲染程序编写。HLSL代码精简，丰富的控制语句让程序编写工作变得更为简单，程序员们可以很高的效率来开发新游戏，相信这会让所有的游戏开发者感到欢呼雀跃。
　　
　　 全新的OpenGL 2.0
　　
　　DirectX API针对娱乐市场，为3D游戏服务是它的全部目的，但OpenGL与之不同，虽然3D游戏对它来说非常重要，但它还是更多顾及到专业图形领域。两种API不同定位的根本原因在于标准制定者：DirectX API为微软一家独有，OpenGL则是一套业界共同参与的API，SGI（大名鼎鼎的工作站厂商）是它的开创者，也是最初领导者，现在则是由“OpenGL委员会”专门负责。由于历史原因，OpenGL近些年的进步非常缓慢，在DirectX飞速前进的时候它几乎还是在原地徘徊，要不是id Software的鼎立支持，OpenGL很有可能已经被DirectX所取代。id Software在1997年开发Quake 2的时候，因当时DirectX 3.0设计糟糕而选择了OpenGL，技术延续性让它沿着这条路一直走下去，DOOM3、Quake 4之类的大作也继续沿用了OpenGL API。8月份，我们期待已久的OpenGL 2.0终于发布，而它带来了五个方面的重大改进：复杂的核心被彻底精简；完全硬件可编程能力；改进的内存管理机制，支持高级像素处理；扩展至数字媒体领域，使之跨越高端图形和多媒体范畴；支持嵌入式图形应用。
　　
　　

　　
　　

图8 OpenGL 2.0第一阶段，以OpenGL 1.3为基础加入新功能

　　
　　

　　
　　

图9 OpenGL 2.0第二阶段，使用更强大、高效的纯内核，原1.3功能逐渐被抛弃

　　
　　 精简的核心
　　
　　OpenGL 2.0构建在OpenGL 1.3基础之上，为了平滑过渡，OpenGL 2.0采用渐进方式进行升级。第一阶段侧重兼容能力，新核心将在精简后的OpenGL 1.3功能模块基础上增加一些新功能来共同组成（图8）。在满足兼容性的同时，将OpenGL 1.3中数量众多，且纠缠不清的扩展指令进行彻底精简。第一阶段的任务只是为了过渡。第二阶段，OpenGL 2.0将逐步抛弃1.3，采用高效的“纯内核（Pure OpenGL 2.0）”。纯内核包含更多新增加的“精简型API函数”， 包括完全可编程能力、改进的内存管理机制和OpenML数字媒体功能等至关重要的新特性。此时OpenGL 2.0才进入真正的成熟期。
　　
　　 完全可编程特性
　　
　　DirectX 9 API中具有完备的可编程能力，这项特性最大的好处就是灵活性，游戏开发商可根据自身需要灵活地制作出自己想要的图形效果，是更高精度、更快速度，还是在二者间折衷。显卡厂商之所以对DirectX 9积极支持很大程度上就是受可编程特性吸引。同样，OpenGL 2.0也将具备全面的可编程能力，包括可编程顶点处理、可编程片段处理和可编程图像格式三大部分，整体功能已然超越了DirectX 9。
　　
　　● 可编程顶点处理：取代坐标转换、材质应用程序及光照运算，允许对个别顶点作随机运算；
　　
　　● 可编程片段处理：取代材质存取、材质应用及雾化功能，允许个别片段的随机运算；
　　
　　● 可编程图像格式：取代固定格式封装和解封装运算，并允许OpenGL在传送或接收像素数据时，将类型与格式进行任意组合。
　　
　　 优化内存管理
　　
　　OpenGL 2.0对OpenGL 1.X系列僵化的内存管理机制进行了有效改进。先前的OpenGL 1.X采用类似“**”的方式来管理内存，应用程序无需了解运算结果和运算要花的时间，也无需控制存储空间分配及对象的存放，内存中的所有数据都会被自动处理。在当时条件下，这种设计是相当成功的，它将程序员从繁琐的内存管理工作中解放出来，将精力花在其他方面。但随着时间的推移，“**”的弊端变得越发明显，程序员无法有效控制对象的复制、搬移、删除或封装过程，也搞不清楚内存资源的虚拟化，导致内存利用效率奇低无比，成为影响显卡性能的一大制约因素。
　　
　　OpenGL 2.0采用这样的一套机制对内存管理作了高度优化，直接为数据对象建立定位/连结的接口，同时充分利用顶点数组、图像、材质、着色、显示清单及像素缓冲区来对其作精确控制，此外OpenGL 2.0还借助压缩技术来减少数据的移动量。这些措施使OpenGL 2.0获得高效管理内存的能力，同时保留“**”简单易用的优点。
　　
　　 整合OpenML接口
　　
　　精简核心、完整可编程、优化内存管理机制，这些措施都是为了让程序员可以更得心应手地使用OpenGL来开发游戏或专业软件，但新增的OpenML接口却是着眼于功能扩展。OpenML本身是一个针对数字视频、音频、动画等多媒体功能的应用程序接口，娱乐功能相当强大，整合OpenML之后的OpenGL 2.0将集高端图形、数字媒体于一身，摇身一变成为超越DirectX 9的全能型API。但这还不是全部，嵌入式设备对图形应用的需求越来越为人关注，譬如未来的掌上电脑、PDA甚至是手机都有可能使用3D图形，而这些领域尚是一片空白，显然极具发展潜力。OpenGL 2.0增加了嵌入式图形API，ATi和nVIDIA针对掌上电脑、彩屏手机的掌上3D芯片都在此基础上进行开发，由于DirectX并不打算进入这个领域，OpenGL 2.0很有可能将完全垄断这个市场。