挑战游戏画质极限——Shader Model深度分析
技术空间
Shader Model在PC游戏和显卡的发展史上扮演了非常关键的一个角色，它彻底解放了显示芯片，使得技术人员可以用它去创造接近真实环境的3D世界。换句话说，逼真的场景、细节的毫发毕现、像看电影那样玩游戏已成为现实。无怪乎人们开始把Shader Model版本的高低当作衡量显示芯片价值的重要指标之一。
在Shader Model发展史上，从SM 1.0进化到SM 2.0称得上是真正意义上的技术革命，后者赋予了显示芯片强大的能力，人们在游戏中也领略到前所未有的视觉体验，例如水面光影和雾化等特效的出现使游戏场景更真实。相对而言，SM 2.0到SM 3.0的改进不如SM 1.0到SM 2.0的变化大，SM 3.0除了支持32bit浮点运算是亮点外，其他特效用SM 2.0也可以完成。例如，GeForce 6系列显卡上市时曾大力宣传SM 3.0和HDR（高动态范围）技术，这无形之中就给人一种SM 2.0不能实现HDR或者HDR效果差的错觉。其实在《半条命2∶失落的海滩》中，我们发现使用SM 2.0b的Radeon X800显卡对HDR的支持就很好，只不过SM 2.0的先天不足限制了这些特效的应用罢了。
我们不可否认，SM 3.0的诞生让微软彻底统治了娱乐图形领域。尤其是它更新了统一的渲染语言——全新的HLSL高级程序语言，这大大简化了3D程序的编写工作，同时公正的态度使得程序员不必为NVIDIA或ATI单独考虑优化措施。微软通过DirectX和HLSL从根本上控制了图形技术未来的发展方向，而NVDIA和ATI为了取得更大的市场份额，不得不全力支持。因此从某种意义上来说，真正统治娱乐图形领域的霸主不是NVIDIA，也不是ATI，而是微软。小编这里建议现阶段想购买显卡的游戏爱好者，最好选择支持SM 3.0的产品，因为采用SM 3.0特性的游戏会越来越多。
毋庸置疑，游戏永远是以显卡为首的电脑硬件更新换代的“催化剂”。随着《分裂细胞3》、《孤岛惊魂》（即FarCry）、《帝国时代3》、《使命召唤2》等支持Shader Model 3.0游戏的陆续问世，GeForce FX系列或Radeon 9500系列之前的显卡也面临着“下岗”的命运。究竟什么是Shader Model？它给游戏带来了哪些变化呢？
Shader Model带来可编程革命
经历过S3 Trio64时代的DIYer一定还记得，当时所有的游戏都运行在DOS实模式下，3D游戏要调用这些特效必须借助显卡厂商特制的API（应用程序接口）才行。为了在竞争中取胜，显卡制造商开始疯狂地为产品增加各种硬件特效，如Alpha混合、平面着色、透明化处理等等。
这样的特效竞赛持续没多久，人们便发现，无论怎么增加特效都不能满足游戏开发者的需求。而且由于缺乏统一的API，无法充分利用纷繁复杂的特效。当时的游戏为了尽量支持市场上的各种硬件，不得不同时为每一块显卡准备相应的执行程序，这对游戏开发商来说无疑是个噩梦。为了使显卡发展摆脱特效竞赛的怪圈，设计一款能自由编程的显示芯片便成了研发人员迫在眉睫的任务。不过，在实现可编程之前需要统一的API。好在微软的DirectX开始逐步成熟，OpenGL也已相当完善。显卡制造商们只要直接使用这两种API就能实现所有的硬件功能。
GeForce 256的诞生拉开了GPU时代的序幕。由于在GPU内部首次引入T&L（几何转换和光照处理）引擎，因此使得显示核心能够更快地实现各种复杂的运算，而相应的DirectX 7也在3D应用中开始扮演越来越重要的角色。既然摆脱了CPU的依赖，显卡就有了实现可编程的基础，伴随着DirectX 8的发布，GeForce 3系列产品首次向世人展示了GPU的可编程能力，吃力不讨好的固定特效时代一去不复返。
什么是Shader Model
在3D图形领域，Shader被称为“渲染引擎”或“着色器”，Shader Model（以下简称SM）就是“渲染引擎模式”了。事实上，Shader是一段能够针对3D对象进行操作、并被GPU所执行的程序。通过这些程序，程序员就能够获得绝大部分想要的3D图形效果。在一个3D场景中，一般包含多个Shader。这些Shader中有的负责对3D对象表面进行处理，有的负责对3D对象的纹理进行处理。
早在微软发布DirectX 8时，Shader Model的概念就出现在其中了，并根据操作对象的不同被分为对顶点进行各种操作的Vertex Shader（顶点渲染引擎）和对像素进行各种操作的Pixel Shader（像素渲染引擎）。
小知识
Vertex Shader（以下简称VS）
三角形是构成3D世界的基本图形单位，而每个三角形都是由若干线段连接而成。在两条线段的交界处就会形成一个顶点（Vertex）。VS的作用就是定义这些顶点的属性，比如颜色、光照、贴图纹理等。开发者通过指令来控制这些顶点属性值的大小，从而得到变换无穷的效果。
Pixel Shader（以下简称PS）
尽管顶点是3D世界中的基本构成元素，但是要将图形显示在2D屏幕上，最终所有的顶点都将会变成像素。而PS正是为了控制屏幕上所有的像素而产生的。通过PS，程序员能够随意定义画面中单像素的光照、阴影、颜色等参数。
对于游戏程序员来说，SM简直就是他们的救星。由于SM统一了各种函数的使用和变量等参数，因此程序员再也不需要根据每一款显卡编写不同的程序，也不用担心各款显卡由于硬件支持特效的差异而出现运行错误。更让他们振奋的是，在编写Shader时甚至可以不借助任何厂商提供的开发工具，也不必为每款产品学习相应的编程方法。SM允许程序员用标准的汇编语言，甚至是HLSL（High Level Shader Language，高级着色语言）来编写Shader程序，这样不仅大大地加快了游戏开发速度，还明显减少了游戏调试时间。
Shader Model的进化
1.稚嫩的SM 1.0
微软在DirectX中定义了Shader的最大指令长度、指令槽数目、指令操作的精度等内容。这是一套显卡制造商和游戏开发商都要共同遵守的规范。支持新的SM往往意味着可以使用更新、更好的软件编程方法，得到更多的特效。这点在本质上和升级Windows系统是一样的。不同的是，SM更依赖于GPU/VPU，离开硬件的支持，它将英雄无用武之地。
在DirectX 8中，微软首次引入了PS和VS，而且DirectX 8中所包含的Shader定义就被称作SM 1.x。第一代SM尽管实现了对GPU灵活编程的目标，但由于一些细节的不合理和开发难度较大，导致了当时许多新游戏并没有提供对SM 1.0的支持。另一方面，初期的SM还有着很多无法克服的缺陷，例如SM1.0顶点渲染指令最多不超过128条，像素渲染指令不超过96条，而且只能提供整数精度的操作、执行效率低下等。
2.成功但不完善的SM 2.0
经过两年多的研发，微软终于推出了DirectX 9。而SM也随之升级到了SM 2.0。SM 2.0的VS提供了256条指令（SM 2.0b中，这个长度进一步提高到512条），而静态流控制等功能的引入，也让程序员在开发Shader时有更多的自由。而在PS部分，SM 2.0也顺应要求提供了96条可执行指令。更为重要的是SM 2.0中还引入了循环语句，使得各种纹理和像素操作能够嵌套运行，从而获得更复杂的效果。毫不夸张地说，SM发展到2.0才真正趋于成熟。尽管SM 2.0给予了GPU/VPU足够的自由，但也限制了程序员的能力，即它的编程环境并不好，复杂的程序严重影响了程序执行的效率。
3.日趋完美的SM 3.0
针对SM 2.0在实际应用中的不足，伴随DirectX 9.0c诞生的SM 3.0进行了相应的改进，如将数据精度提升到了32bit全浮点运算（FP32），加入了全新动态程序流控制、位移贴图、多渲染目标、柔和阴影等特性。在顶点处理上，最显著的改进就是加入了顶点纹理（Vertex Texturing）拾取功能和顶点复用流分频器，前者主要通过位移贴图增加物体表面的凹凸感觉，强调了物体立体感；后者通过得到许多相似但状态各异的物体，使得“万人交战”的盛大3D场面成为可能。
在PS方面，SM 3.0的改进侧重于为开发者提供动态分支执行。在Shader中程序员就可以使用诸如if-then的条件判断语句，让PS的执行更加灵活。与此同时，PS 3.0还增加了隐面寄存器（Back-face Register），这实际上是个浮点标量寄存器，用来存储当前像素的三角形和视点之间的位置关系，如果寄存器内存放的值大于零，就表示这个视点所在的三角形面向视点，否则就是背向视点。通过判断寄存器内的值和SM 3.0的动态分支功能，程序员可以快速确定一个场景所要绘制的三角形，从而减免无效渲染，大幅提升游戏性能。
写在最后
微软下一代操作系统Vista将会带来全新的DirectX 10，新的API将支持SM 4.0。据悉SM 4.0最大的进步在于PS和VS这两部分内容将合二为一。PS和VS融合将给3D世界带来一场新的变革。对于游戏开发者来说根本不需要考虑Vertex和Pixel的限制，同时也避免了VS和PS单独执行带来的性能下降。
而在指令运算精度方面，SM 4.0也将提供高达64bit的浮点精度（FP64）。这样在各种纹理操作中所产生的误差和细节损耗将会显著降低。在FP64的帮助下，程序员能够创建出更为华丽的3D世界。当然，FP64对GPU/VPU有着极高的要求。SM 4.0的实际表现究竟如何？让我们拭目以待吧。