革命性DX11架构！GTX480470权威评测

2010-04-06 18:01 出处：PConline原创作者：佚名责任编辑：zhengwanglun

第二章 DX11中最有价值的技术：Tessellation的妙用

　　NVIDIA认为，DX11当中最有价值的技术就是Tessellation，因为其它所有的技术用DX10指令集都可以实现，只不过速度慢一些而已，唯独Tessellation无可替代，它以较小的性能损失大幅改善了游戏画面，将程序员多年来的梦想变为现实，因此好评如潮。

　　但是，Tessellation是一项由竞争对手ATI所倡导，经过多年的改进与完善而来的技术，那么在Tessellation被纳入DX11范畴之后，NVIDIA会不会比ATI做得更好呢？

第二章/第一节 Tessellation是ATI原创的技术，但孤掌难鸣

　　Tessellation一词相信大家并不陌生，早在DX9C时代，微软XBOX360游戏主机中由ATI设计的Xeno显示芯片就支持；从DX10时代到DX10.1时代，ATI HD2000/3000/4000系列显卡全都整合了一个叫做Tessellator的模块，虽然当时没有任何游戏能够支持该技术，但ATI通过几个演示Demo展现了Tessellation技术的魅力。

　　事实上，在更早的DX8时代，ATI就已经和微软联手开发了TruForm（N-Patch）技术，也就是Tessellation的前身，并被纳入DX8.1的范畴。但由于该技术有一些不可控制的BUG，因此被DX9和DX10无情的抛弃了。

　　Tessellation之所以未成气候，就是因为此前的技术还不够完善，另外GPU处理能力不足也是一大因素，因此ATI即便有微软的鼎力相助，也未能将该技术发扬光大。到了DX10时代，ATI虽然在全线GPU当中整合了Tessellator模块，无奈孤掌难鸣，并没有得到游戏开发商的支持。

　　直到DX11时代，GPU自身的性能有了长足的进步，硬件上真正具备了细分曲面的实力，再加上微软重新改写API渲染流程，专为Tessellation开辟了新的着色器，这才让Tessellation技术得以重见天日。

第二章/第二节 Tessellation技术实现的原理

　　Tessellation这个英文单词直译为“镶嵌”，也就是在顶点与顶点之间自动嵌入新的顶点。Tessellation经常被意译为“细分曲面”，因为在自动插入大量新的顶点之后，模型的曲面会被分得非常细腻，看上去更加平滑致密。下面这张图形象的反映出Tessellation技术的原理和所实现的效果：

　　通过上面这张示意图，我们就可以更容易理解Tessellation技术是怎么回事了，它是一种能够在图形芯片内部自动创造顶点，使模型细化，从而获得更好画面效果的技术。Tessellation能自动创造出数百倍与原始模型的顶点，这些不是虚拟的顶点，而是实实在在的顶点，效果是等同于建模的时候直接设计出来的。

　　Tessellation技术是完全可编程的，它提供了多种插值顶点位置的方法来创造各种曲面：

1. N-Patch曲面，就是和当年TruForm技术一样，根据基础三角形顶点的法线决定曲面；
2. 贝塞尔曲面，根据贝塞尔曲线的公式计算顶点的位置；
3. B-Spline、NURBs、NUBs曲线（这三种曲线均为CAD领域常用曲线，在Maya中均有相应工具可以生成）
4. 通过递归算法接近Catmull-Clark极限曲面。

　　Tessellation技术最初主要被用以“细分曲面”，随着该技术被纳入DX11范畴，得到大范围推广之后，插值顶点的算法也越来越多，因此用途也越来越广，产生了很多非常有创意的应用，在本章后面几节当中笔者会为大家做更详细的介绍。

　　Tessellation技术还经常与Displacement Maps（贴图置换）技术搭配使用，从而将平面纹理贴图改造成为具有立体感的几何图形，大大增强3D模型或场景的真实性。

　　除了大幅提升模型细节和画质外，Tessellation最吸引程序员的地方就是：他们无需手动设计上百万个三角形的复杂模型，只需简单勾绘一个轮廓，剩下的就可以交给Tessellation技术自动镶嵌，大大提高开发效率；而且简单的模型在GPU处理时也能大幅节约显存开销，同时大幅提升渲染速度！

第二章/第三节 DX11版Tessellation的改进

　　前面笔者提到过，ATI的HD2000以上级别显卡其实都具备Tessellation的功能，但它们却无法与DX11中的Tessellation技术相兼容。这是因为微软并没有原封未动的将R600的Tessellation技术抄到DX11之中，而是对其进行了优化，使之能与渲染流程完美的结合在一起，可以更高效率的细分出更多的多边形和曲面。

　　与DX9C/DX10时代孤零零的Tessellator模块不同，在DX11当中，微软加入了两种全新着色器来全力配合Tessellator的工作，分别位于镶嵌器的前后。

　　其中Hull Shader（外壳着色器）用来控制自动生成顶点的数量和算法，也就是Tessellator的细分级别，然后交给Tesselator进行镶嵌处理，最后由Domain Shader（域着色器）按照程序要求生成所需曲面，并自动进行法线平移、置换贴图，产生新的模型。

　　与DX9/10中的Tessellation技术相比，DX11新增的两种着色器都受统一渲染架构支配，因此处理能力非常富裕，DX11版Tessellation不仅效率更高、而且细分级别更丰富。但是，更高的细分等级对Tessellator模块本身的处理能力提出了苛刻要求，这需要芯片厂商在设计之初就考虑周全，在本文架构解析部分，笔者会详细分析ATI和NVIDIA两者的设计思路。

　　下面，我们就通过大量生动的实际案例，来感受Tessellation技术的魅力，来说明游戏厂商和芯片厂商为什么如此重视这项技术。

第二章/第四节 Tessellation的妙用：虚假贴图终结者

　　首款DX11测试程序——Heaven Benchmark中，几乎所有的场景都是由Tessellation技术动态生成的，其中最有代表性的场景就是地图中央的飞龙，但最具震撼力的是周围凹凸不平的砖墙、石阶和瓦片：

　　开启Tessellation后，翼龙身体上的“斑点”变成了“尖刺”，虽然只是一座雕像而已，但怪物明显变威猛了许多。身体各部位包括尖刺的平滑过渡都十分自然，让人找不出任何模型设计的缺点，看来Tessellation自动插入顶点并细分曲面在实际应用中相当智能。

　　在这幅图中，大家注意观察左侧的墙壁（以及凸出石块的阴影）、右侧的台阶和下方的鹅卵石路，关闭Tessellation时，石块间的缝隙使用传统的视差映射贴图技术渲染而成，也有一定的立体效果，但不够明显，而且缝隙间不存在真正的阴影。视角拉的很近的话，立体效果就会消失，因为那只是欺骗人眼的贴图而已。

　　而Tessellation技术生成的是实实在在的顶点和曲面，所有的岩石、台阶和石块都是独立存在，而不再是平面上的虚拟贴图而已。一经对比，视觉反差十分强烈！

　　传统的屋顶瓦片就是“纸糊”的，类似与生活中用于糊墙的“砖纹、木纹”墙纸，远看还行近看一点立体感都没有，连小孩子都骗不了。经过Tessellation技术处理后，凹凸不平、错落有致的瓦片震撼登场！

　　在以往的游戏中，多是以高精度的纹理贴图来欺骗玩家的眼睛，使得周围环境看上去更真实一点。只有以《孤岛危机》、《狂野西部》、《潜行者》为代表的次世代游戏才使用了“虚拟位移贴图”或“视察映射贴图”这种高级特效，生成有一定立体感的砖墙或缝隙。

　　而Tessellation技术的出现，则终结了一切虚假贴图，达到了完全真实的凹凸效果，让游戏朝着虚拟现实方向迈进了一大步！

第二章/第五节 Tessellation的妙用：布料旗帜

　　随风飘扬的衣物和旗帜一直都是3D渲染的难题，此前想要达到逼真的布料效果，必须使用物理加速技术。虽然物理引擎可以达到和谐自然的动态效果，但衣物本身的细节还不够丰富，原因是游戏不可能将一块小小的布料做得太过复杂，这样会消耗太多的资源，得不偿失。

　　有了Tessellation技术之后，可以一定程度上代替物理引擎，不仅可以大幅加强布料本身的细节、实现动态逼真的效果、而且消耗资源很少，可谓是一举三得。