DirectX 10革了谁的命——DirectX 10技术分析
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从2002年年底诞生至今，DirectX 9.0“统治”图形API（应用程序接口）领域长达近4年，在各种大型3D游戏和显卡的推动下，DirectX 9.0的光芒已照遍全球。如今，全新的DirectX 10将与Vista结伴而来。据悉，DirectX 10显卡的性能将是DirectX 9显卡的6～8倍！
性能飞跃并非夸夸其谈
6～8倍的性能提升？听起来似乎有点不可思议。DirectX 10敢夸下如此海口，肯定有所依仗。事实上，凭借新增的几何渲染单元、改进的API和驱动功效等，
DirectX 10显卡的性能表现非常值得我们期待。
1.赋予显卡新的生命——几何渲染单元
在DirectX 10的图形流水线体系中，最大的结构性变化就是在几何处理阶段增加了几何渲染单元（Geometry Shader）。几何渲染单元被附加在顶点渲染单元之后，但它并不像顶点渲染单元那样输出一个个顶点，而是以图元作为处理对象。图元在层次上比顶点高一级，它由一个或多个顶点构成。由单个顶点组成的图元被称为“点”，由两个顶点组成的图元被称为“线”，由三个顶点组成的图元被称为“三角形”。几何渲染单元支持点、线、三角形、带邻接点的线、带邻接点的三角形等多种图元类型，它一次最多可处理六个顶点。借助丰富的图元类型支持，几何渲染单元可以让GPU提供更精细的模型细节。
几何渲染单元赋予GPU自行创造新几何物体、为场景添加内容的神奇能力。灵活的处理能力使GPU更加通用化，以往很多必须倚靠CPU才能完成的工作，现在完全可交由GPU处理。如此一来，CPU就有更多时间处理人工智能、寻址等工作。更令人惊喜的是，几何渲染单元还让物理运算的加入变得更简单，DirectX 10可创建具备物理特性的盒子、模拟刚性物体，物理运算有望在它的带领下逐渐走向普及。可以预见，借助几何渲染单元这一武器，显卡性能将产生质的飞跃，我们也将体验到速度更流畅、画面更精美、情节更细致的游戏。
2.调动显卡的积极性——改进的API和驱动功效
我们知道，每一个游戏角色、武器和景物在3D程序中都是一个Object（对象），而每一帧游戏画面就可能出现数百个Object。在显卡工作时，每一个Object都要从应用程序传输到API接口，然后通过显卡驱动程序到达显卡。在现有的DirectX体系中，任何一个Object进行操作或者渲染，都会导致系统资源的额外消耗，游戏的Object越多，所耗费的传递时间就越长，造成的额外消耗也就越多。据统计，现有的DirectX 9图形芯片在工作时，只有60%的性能用于运算3D程序，其余40%的运算能力被白白浪费了！
为了改变这一现状，DirectX 10在渲染程序中采用了动态索引功能，Object被驱动程序自动加载，数据可以分类并连续输入，这样一来，单次传输的数据量就增加了，从而大大降低了额外耗费的时间。通过引入新的API及驱动程序，DirectX 10将图形芯片的执行效能提升至80%。在不增加显卡硬件成本的前提下，显卡性能得到了大幅提升。
3.引爆多显卡协作的威力——并行引擎支持技术
为了提升多块显卡协作的工作效率，微软在DirectX 10中提出了“Parallel Engine Support（并行引擎支持）”的概念，它可以预先把两个GPU需要的数据分别传输到两块对应的GPU当中，帧渲染将完全由驱动控制和调配，两块显卡的工作强度可以获得很好的平衡。而在目前主从卡的运作模式中，主卡要对从卡框架、渲染数量进行判定，而引入并行引擎支持技术后，主从卡的概念将消失，两块甚至多块显卡的协作威力将充分体现。
统一渲染架构取代分离渲染
DirectX 10最大的革新就是统一渲染架构（Unified Shader Architecture）。目前各类图形硬件和API均采用分离渲染架构，即顶点渲染和像素渲染各自独立进行，前者的任务是构建出含三维坐标信息的多边形顶点，后者则是将这些顶点从三维转换为二维，这样便可以通过视觉欺骗在屏幕上显示出“三维”的场景。与此对应，GPU中也有专门的顶点渲染单元和像素渲染单元来分别执行这两项工作（由于工作量不同，这两种渲染单元的数量不相等，顶点渲染单元通常只有像素渲染单元的1/3～1/2）。在过去几年中，这种分离式设计对计算机图形领域的发展做出了一定的贡献。
不过，微软认为这种分离渲染架构不够灵活，不同的GPU，其像素渲染单元和顶点渲染单元的比例不一样，软件开发人员在编写代码时必须考虑这个比例，这就大大限制了开发人员自由发挥的空间。另外，不同的图形游戏或软件对像素渲染和顶点渲染的需求不一样，导致GPU的运算资源得不到充分利用。为此，微软在DirectX 10中提出了统一渲染架构的思想：在相同物理类型的渲染单元上执行不同类型的渲染程序。换句话说，只用一种渲染单元，让它既能完成顶点渲染，也能完成像素渲染，甚至还能实现几何渲染。这样一来，渲染单元可以得到最大程度的利用，减少了资源闲置的情形。目前，Xbox 360的显示芯片Xenos就采用了统一渲染架构，该芯片一共有48个渲染单元，它们可全部用于顶点渲染或像素渲染，没有固定分配比例。此外，ATI也打算在新一代的R600芯片中采用统一渲染架构。
当然，统一渲染架构也并非完美无暇。相对顶点渲染来说，像素渲染将面临大规模使用纹理所带来的材质延迟，这是统一渲染架构急待解决的问题。据悉，NVIDIA下一代的G80有可能继续坚持分离式设计。到底是统一架构好还是分离设计好？相信只有等G80和R600同台竞技后，答案才会揭晓。不过有一点可以肯定，在微软的大力推动下，统一渲染架构是大势所趋。
DirectX 10为何缘定Vista?
除统一渲染架构外，DirectX 10的另一大特色就是与Windows Vista紧密结合，Vista系统将调用GPU资源来渲染Aero Glass 3D界面，这样图形API就与操作系统核心高度整合在一起。举个例子，当我们点击应用程序时，CPU将立刻收到驱动程序的指令，而软件界面渲染指令则通过DirectX 10直接传送给GPU，这样，Vista就能与CPU和GPU同时沟通，让3D界面渲染工作变得更高效。
相比之下，在DirectX 9环境中，Vista（软件）界面的渲染工作就要“迟钝”一些了：用户点击运行某个软件，Vista将相应的指令发送给CPU，要求CPU进行后续处理；CPU接到运行指令的同时向GPU发出请求，要求GPU在屏幕上渲染出界面。GPU（支持DirectX 9）识别Vista界面渲染指令后完成相应的工作（注意：DirectX 8显卡无法完成渲染工作，必须让CPU通过软件模拟来实现，此时系统速度非常缓慢）。换句话说，在“DirectX 9显卡+Vista”的平台中，CPU还是核心，GPU必须在CPU的控制下工作，而Vista系统也必须通过CPU来调用GPU的资源。
DirectX9还有一个不足之处，那就是它只能进行单任务渲染，即无法同时完成两个场景的渲染工作（如无法在运行游戏的同时为软件渲染3D界面），应用范围受到极大的限制。而DirectX 10则允许GPU同时渲染多个不相关的3D场景，工作效率大为提高。因此，尽管DirectX 9显卡大都能驱动Vista华丽的Aero Glass视觉模式，但很多方面受到了限制，只有DirectX 10显卡才是Vista的理想“伴侣”。
DirectX 10显卡必备“武功”——SM 4.0
从DirectX 8开始，Shader Model（渲染单元模式）在DirectX体系中的地位就日趋重要，其版本和渲染单元的规格也成为了决定显卡性能高低的关键因素（编注：关于Shader Model的具体介绍，请大家参阅本报今年第7期D15版）。随着DirectX 10时代的到来，Shader Model也升级到了4.0版本。与眼下如日中天的Shader Model 3.0（以下简称SM 3.0）相比，Shader Model 4.0（以下简称SM 4.0）有哪些可喜的变化？
首先，SM4.0中的指令长度被提升到大于64K（即64×1024）的水平，这是SM 3.0规格（渲染指令长度允许大于512）的128倍。显然，SM 4.0在为渲染出电影级别的游戏画面做准备。由于渲染指令长度大幅提升，SM 4.0中相应的寄存器规格也有所增强，如Constant寄存器采用16×4096阵列、tmp寄存器则有4096个、input寄存器采用16/32规格等，上述指标都比以前的DirectX有明显的改进。其次，SM 4.0在纹理数量方面也有提高。DirectX 10允许程序员在渲染物体时使用128个纹理，而DirectX 9只提供4/16规格，更多的纹理意味着物体表面精度更接近真实，游戏开发者拥有更广泛的选择。
从上述情况不难看出，DirectX 10在性能方面的提升是巨大的，它将进一步解放CPU的资源。当然，我们也必须看到，DirectX 10对硬件（尤其是显卡）的要求也更为苛刻，GPU在设计上也将更加复杂。
结语
目前，各大厂商都对DirectX 10表现出了非常积极的态度。例如，ATI为Xbox 360开发的Xenos图形芯片便采用了统一渲染架构，而将于年底推出的R600显示芯片也是这样的产品。相比之下，NVIDIA对DirectX 10的支持方式有所不同，其下一代产品G80仍然采用分离渲染架构，但它同时具备DirectX 10的各项特性，这对游戏来说没有什么区别。尽管DirectX 10是微软公司打出的垄断市场的又一张牌，但我们不能否认，在它的指引下，游戏和显卡产业也将迎来一个新纪元，就让我们耐心地等待这一时刻的到来吧。
编后：关于几何渲染单元的更多详细资料，敬请大家关注下期“技术空间”的内容。