DX10显卡的魔术棒——几何渲染单元全面剖析
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显卡发烧友和游戏玩家可能都记得，早在GeForce3诞生时，NVIDIA给我们带来了两个新“武器”：Vertex Shader（顶点渲染单元）和Pixel Shader（像素渲染单元），它们使显卡的3D性能获得了空前的提升。如今，DirectX 10时代即将来临，我们也将在下一代显卡上看到一种全新的渲染单元——Geometry Shader（几何渲染单元）！
回顾渲染单元的发展史
渲染单元的概念是从DirectX 8.0时代开始引入的，其前身就是T&L技术。因此，要全面地了解渲染单元，我们还得从GPU谈起。
1. T&L开创3D新时代
显示核心被称作GPU（Graphics Process Unit，图形处理器），是从GeForce 256开始的，它出自NVIDIA的手笔。从此，GPU的概念就逐渐深入人心。GeForce 256提供了对DirectX 7.0的支持，具备了当时先进的T&L（Transform and Lighting，几何转换和光源处理）技术。在没有这项技术之前，位置转换和光源处理等基础图形运算都需要CPU来完成。由于CPU还要负责基本的系统运行等任务，游戏开发商也不敢对游戏画面做更多的美化处理。图形运算量的需求已经超出CPU发展的步伐，如果显卡再不挺身而出，图形性能将难以实现突破。GeForce 256的出道可谓生逢吉时，它把几何转换和光源处理等工作从CPU手中“夺”过来，显卡开始具备初步的几何处理能力，系统的图形性能因此上了一个台阶。
2.Shader引发GPU革命
在近几年显卡的发展过程中，微软的DirectX无疑是一根指挥棒。第一代GPU取得的成功，证明了把更多图形运算工作从CPU中分离出来是正确的。到DirectX 8.0时代，当前GPU最重要的“武器”——Shader（渲染单元，也叫着色器）开始被引入。事实上，Shader就是一段可以改变顶点和像素的小程序，其中顶点程序对应的处理单元就是顶点渲染单元，用于描述和修饰3D物体的几何形状，同时也可以控制物体的光亮和阴影；像素程序对应的处理单元就是像素渲染单元，负责对最终输出的像素进行操作运算，比如像素的色彩、深度坐标等信息。
渲染单元具备可编程的灵活特性，游戏开发者可根据需要为游戏设计出独特的视觉效果。为了规范渲染单元的功能及接口，微软从DirectX 8开始加入Shader Model（渲染模式，以下简称SM），而且以后每一次更新DirectX，SM版本都会相应地进行升级。有了DirectX的帮助，GPU也更具灵活性，并为CPU分担了许多图形运算工作。
3.现有渲染架构的不足
从表面上看，顶点渲染单元和像素渲染单元的分工很合理，DirectX 8.0、DirectX 9.0这两代版本都围绕它们而设计，GPU也依靠渲染单元数量的增加实现了性能的提升。但实际上，顶点渲染单元有不少需要改进的地方。
我们知道，顶点渲染单元只能逐个处理顶点，而3D图形通常由很多个顶点构成，逐个顶点处理的方式显然效率不高。这就好比我们一次可以搬运3件货物，但我们却一次仅搬运1件，必然要多走好几个来回。因此，如果能让渲染单元一次完成多个顶点的批量处理，工作效率显然要高多了。而几何渲染单元的工作职责就是实现顶点批量处理。引入几何渲染单元后，以往很多必须依靠CPU才能完成的工作完全可以交给GPU处理，如此一来，CPU便可从繁重的几何处理工作中解放出来。
解析新一代GPU体系架构
目前主流GPU的图形流水线（Graphics Pipeline）一般分为几何处理（Geometry Processing）和光栅化（Rasterization）两大部分，前者为后者准备好几何信息，而后者负责将输入的几何信息绘制到帧缓冲区（Frame Buffer），并最终呈现在显示器上。在即将出台的DirectX 10的图形流水线中，有一个最大的变化——几何处理部分增加了几何渲染单元（Geometry Shader）。
具体来说，几何渲染单元被加在顶点渲染单元（Vertex Shader）的后面，而其他部分没有什么变化。输入组装器（Input Assembler）负责接收游戏（或其它软件）发送过来的原始数据，这些数据被整合、优化等系统化处理后，便输出至顶点渲染单元进行相关的顶点渲染处理。顶点渲染单元输出的是一个个顶点，加在它后面的几何渲染单元接收的就是这些顶点，但与顶点渲染单元不同的是，几何渲染单元的处理单元是图元！也就是我们前面所说的，它可以对顶点进行批量处理。
图元是什么？图元是由一个或多个顶点构成的，它在层次上比顶点高一级。DirectX 10中的几何渲染单元支持5种类型的输入图元：点、线、三角形、带邻接点的线、带邻接点的三角形。前三者是最基本的图元：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（Line）；由三个顶点组成的图元被称为三角形（Triangle）。后两者是新增的图元类型：线的两端都带有一个额外的邻接点，这种线被称为带邻接点的线（共有4个顶点）。同理，当三角形的每条边都带有一个邻接点时，这种三角形被称为带邻接点的三角形（共有6个顶点）。
几何渲染单元对基本的图元进行处理后，可生成图形外观的完整数据。这些数据将被送到“Rasterizer/Interpolator”（光栅/分类）单元进行光栅化处理，该单元会根据图元的属性决定哪些像素需要绘制，这些像素分好类后，就可以输出至像素渲染单元（Pixel Shader）加以处理。
几何渲染单元带来哪些好处？
1.有利于游戏设计者充分发挥想象力
对于游戏设计人员来说，能把自己的设计或创意融合到游戏当中，无疑是一件非常惬意的事情。可惜现有GPU几何处理机制不够灵活，如果转移至CPU完成，则又加重了CPU的负担，结果许多美妙的想法被迫“胎死腹中”。几何渲染单元的加入就好比给GPU添加了一根魔术棒，它不但可以看到“图元”本身，还能“看到”与之相邻的一小块区域，仿佛它拥有自己的“思想”。因此，GPU可以在不依靠CPU的帮助下提供更精细的模型细节，并完成更灵活的工作，这对设计者而言无疑是一个福音。
尤其值得一提的是，几何渲染单元输出的图元类型可以和输入的不同，而且对于每一个输入图元，几何渲染单元可以输出任意数目的图元。这种变戏法的功能以往只有CPU才能做到，但现在几何渲染单元可以做到，CPU在几何处理上的负担减轻了很多。玩过《DOOM3》的朋友可能知道，要想体验到精美的游戏画面，一块比较高档的CPU是不可或缺的。事实上，出现这种现象的原因就在于很多几何处理工作要由CPU来完成，比如该游戏大量使用了阴影技术，而这些阴影的生成又需要CPU进行大量的运算。如果有了几何渲染单元的帮忙，阴影生成对于GPU来说只不过是小菜一碟了。
几何渲染单元给设计者提供了一个大展拳脚的舞台，至于戏该如何表演，那就要看设计者自身的功力高低了！
2.精美画面和流畅速度两者皆得
精美画面和流畅速度两者皆得？这在现代游戏中似乎只有高端显卡配合高端CPU才能做到。但有了几何渲染单元的帮忙，即便是使用中低端平台的用户，也有机会享受运行流畅、画面精美的游戏。
游戏发烧友可能知道，置换贴图（Displacement Mapping，也叫位移贴图）可以令游戏表现出真实的3D效果，但时至今日很多游戏并不敢大量运用，这是为什么？原因很简单，置换贴图的运算量实在是太恐怖了。如果再加入光源、材质等必要细节，很多电脑都无法胜任。为了在画质和速度之间达到平衡，ATI曾在X800系列上引入了虚拟位移贴图技术。但不管如何，其表现效果在真实度上仍然有所欠缺。几何渲染单元亮相以后，凭借它强大的几何运算能力，置换贴图的应用完全可以走向普及。当CPU从繁重的几何处理中解脱以后，它就可以专注于人工智能、自动寻址等擅长的工作，CPU、GPU真正做到各司其职，我们从此就能享受性能更高、画质更佳的游戏了。
小知识：置换贴图就是通过一幅图片来改变模型表面的凹凸感，原理上类似于凹凸贴图（Bump Mapping），即通过给3D物体表面贴上一幅黑白图片，在最终渲染时产生与之对应的简单凹凸阴影的感觉。这种方法可改变3D物体各个点的位置，做到真正改变模型外观，使阴影、折射、反射等效果更加真实。
写在最后
时至今日，GPU的浮点运算能力已经远远超过CPU，Radeon X1900 XTX的FP32精度像素运算能力高达374.4G FLOPS（每秒十亿次浮点运算），这是任何桌面CPU望尘莫及的，把图形运算全部转移至GPU势在必行。回顾近几年来GPU发展的过程，我们不难发现这是一个GPU从CPU手中夺权的过程！着色架构的改变，比单纯提高管线数量更能带来实质性的效果。新一代显卡带来的变化是令人振奋的。从目前来看，ATI的R600、NVIDIA的G80和S3的Destination都将支持DirectX 10。如果一切顺利，采用新渲染架构的显卡将在今年年底出现在市场上，届时我们就可以感受几何渲染单元带来的强大震撼了。