何去何从 浅析显卡的发展趋势(图)

　　文/微风

　　图形芯片发展到今天，性能的飞跃已让人不敢置信。GeForce4 Ti的问世，已将各项指标提升到一个新的水平。其彪悍的性能那样足以值得我们对此评头论足一番。在二三月份NVIDIA风风火火地发布、推广GeForce4之后，市场又一次恢复了平静。但近来，我们听到了非NVIDIA的声音，新产品的演示、规格纷纷浮出水面，在如今这个毫无悬念的图形领域
，这些声音的确非常可贵。

　　普林斯顿大学和微软的“绒毛兔”

　　可以说，图形芯片的发展在一定程度上已经超过了处理器。在集成度上，一颗最新的图形芯片内部晶体管比Pentium 4处理器的还要多。依靠强大的硬件基础，在特效方面，图形芯片的进展也非常快，这也是我们今天讨论的重点。

　　头发渲染成为可能

　　回顾以前的发展，我们可以发现，图形芯片厂商往往都是以提升芯片处理速度为己任。从TNT2到GeForce256到GeForce2，其填充率都是直线上升，例如Quake3中的帧速率，从刚好流畅的50～60帧到一度突破200帧大关。而在ATi的产品，我们也可以看到这一规律，只是ATi是从Rage直接跳到了Radeon而已。

　　尚未应用同心壳层的狼人框架图案

　　2002年最有轰动效应的产品莫过于NVIDIA的GeForce4 Ti了。它最引人注目的技术双Vertex Shader，不仅能够在支持Vertex Shader的程序（游戏、3D制作软件）中达到双倍的性能。而且可以以较高的帧速率来渲染复杂的头发、软毛效果，要知道，这在以前可是图形领域的攻关问题啊！

　　这一问题源自早期加州工学院发明的一个绒毛熊（Fuzzy Bear）的图像。当时，加州工学院发明了一种使用3D毛发纹理的新方法来渲染头发和软毛效果。这个3D纹理使用表面帧、法向切线、双法向3D矢量来计算光线和反射。光照模型的参数自由地分布在3D纹理空间里。在软件渲染的时候，这个3D纹理空间将会被粗略运算，而且还会按照视点向量（光线照射进的）方向并逐渐增加其密度。而这个绒毛熊正是这种3D纹理的研究参考图像。虽然它是渲染头发、软毛效果的一次突破，但根本无法运用到实际中，因为当时的IBM大型主机渲染这一图片，也是2小时才渲染出1帧图像。

　　直到2001年，3D皮毛渲染有了一种新方法。那就是生成一系列的concentric shell（同心壳层）。这些壳层是几何体沿顶点法线方向放大而成的，壳层的纹理则是根据皮毛的不同深度、密度而取样产生的。这些纹理然后就套用到相对应的同心壳层中，经过混合，可得出产品最终的头皮、皮毛效果。

　　应用了同心壳层和毛翅的狼人框架图案

　　另外，为了增强物体的侧视效果，研究者还特意增加了一些fin（鳍状）纹理来表现物体的小束头发或毛，这样可以增强物理在侧视效果中的真实性。绒毛兔（Fuzzy Bunny）就是大家比较熟悉的参考图像。它包含了5000个多边形、7547条边线、306个片面，采用了GeForce256进行实时渲染。渲染速度也只是每秒12-23帧之间，这个数值太过牵强。

　　应用同心壳层渲染再现的狼人图像

　　但GeForce4 Ti就能够轻而易举地解决这一问题！其双Vertex Shader每秒钟可以处理1亿多个顶点，可以满足比Fuzzy Bunny复杂20倍的图形的运行需求。

　　置换贴图功能的实现

　　当我们还在对GeForce4 Ti的渲染性能津津乐道时，今年的GDC（Game Developer Conference，游戏开发者会议）2002上，Matrox向世人展示了DirectX 9中的置换贴图（Displacement Mapping）技术。这实际上是Matrox第二次演示这一技术。去年的GDC上，Displacement Mapping技术被Matrox提出，并在会上使用G550进行软件模拟，虽然效果惊人，但性能却是惨不忍睹，平均1-3帧/秒的速度使这项技术停留在图纸上而已，一年过后，Matrox的工程师再次演示，产品自然不会是G550了，而是一款神秘的新图形芯片，名为幻日（Parhelia）。在整个演示过程中，Matrox的工程师播放了几个演示片段，运行非常流畅，也就是说起码有30多帧。这可是货真价实的实时渲染，而非事先渲染的产物。

　　圆筒模型变成人头图形演示

　　置换贴图（Displacement Mapping）技术简介：置换贴图可以透过两张纹理的混合形成真正的凹凸模型，就是说Displacement Mapping透过一张基本纹理、一张光照纹理以及一张最为重要的高程纹理来完成模型外观的过程，模型本身也许只是一个圆筒，但是使用了Displacement Mapping以后，就可以生成一个栩栩如生的人头来，也可以让平面图形形成立体效果。这种技术在以往只是在Pixar的Photorealistic Renderman得以应用。当然，这个“建模”过程也是需要Vertex Shader来协助的，并非以往环境凹凸贴图那样只是一个单纯的贴图过程，而是一个极其复杂的过程，Matrox能够实现硬件支持，已经成为3D图形芯片的一次重大突破。

　　完全脱离CPU的VPU

　　5月4日，3DLabs（已被创新收购）发布了一款全新的图形芯片P10，3DLabs为它冠名为新颖的名字VPU（Visual Processing Unit，视觉处理单元）。该芯片的规格相当彪悍，支持256-bit显存界面（312.5MHz DDR，最高提供20GB/s的显存带宽），支持完整的DX 8特效等等，这仅仅是P10的一小部分，而它最大的亮点在于其架构。据悉，P10可以说是业界首款真正的图形处理器。

　　一个球状物的置换贴图演示

　　在以前，图形芯片的大部分工作都由处理器承担，诸多的特效都由处理器进行模拟运算，由于当时处理器的主频较低，因此特效的处理都非常粗糙，处理的速度也非常糟糕。这一点以GeForce之前的显卡尤为突出。当NVIDIA发布GeForce之后，加入了对T&L（几何转换及光影）引擎的硬件支持，使得游戏中的T&L运算较处理器执行的快很多，如此一来，游戏中的场景就可以变得更加复杂、精细。而空余出来的CPU资源可以用来使游戏中的角色具备更好的AI、进行游戏中其他的运算。不过当时的T&L引擎乃至GeForce2的T&L引擎都属于静态加速，也就是仅仅可以对固定的场景进行加速，而对于动态人物角色的几何运算就无能为力了，还得靠处理器来接管。除此以外，顶点运算、象素运算等也需要处理器参与处理。

　　GeForce3的推出又可以算是图形芯片发展的一个里程碑了。加入了DX 8所定义的Vertex Shader（顶点效果器）及Pixel Shader（象素效果器），使处理器的另一项负担——顶点处理交给图形芯片。顶点就是三角形的顶点，每个3D物体都是由一个个顶点所构成的，可以说，顶点为3D场景构成的基本单位。但是，看似并不起眼的顶点，内部却包含着众多的信息，包括坐标、重量、法线、颜色、纹理坐标、雾和点大小数据。如果逐一处理，这对处理器真是不小的折磨啊！而对于GeForce3的Vertex Shader来说，这简直是小菜一碟，它每秒可以处理数千万个顶点，虽然这是个理论值，但和处理器的处理效果相比，这算是一大飞跃了！

　　全屏抗锯齿和T&L技术结合的魅力 　　综观以前的发展，图形芯片的发展从单纯的3D加速转变到特效处理，从近乎完全依靠CPU到差不多能独立运算，发展真是一日千里。不过，就目前来看，GPU还有许多工作需要处理器“代工”，比如象素计算和渲染。在游戏中，处理器的工作依然十分繁重。所以在未来的图形芯片发展方面，我们可以分为以下几部分：

　　1.完全的可编程能力

　　虽然Radeon 8500和GeForce 4都是“可编程”的GPU，虽然它们的性能算是非常强大，但它们还显不足，无法由程序完全控制，即还不够彻底，仅能提供一定程度的支持。

　　虽然现在GPU内部的集成度已经追赶上CPU。但是在可编程方面还差了一截。众所周知，CPU是一个完全可编程的硬件，能不能让现在的显示核心也向CPU那样完美地支持可编程呢？也就是除了支持普通的3D编程以外同CPU一样可以直接执行目前主流的高级语言，比如：C/C++、FORTRAN、Java、C#等，如果这个梦想可以实现，那么这种显示核心就可以如同CPU一样执行更多的功能，并且我们控制的灵活性和完全性也大大增加。

　　细腻的图像和耀眼的光影

　　在3Dlabs的P10上，我们终于看到希望。这个产品的技术将会成为今后3D图形芯片发展的主导方向，因为游戏开发厂商长期被迫于围绕着NVIDIA或ATi的图形技术转，这样将妨碍游戏的发展。一种类似于x86处理器这样的显示核心将成为它们最佳的选择，因为只要是符合x86指令的处理器，不管它是AMD的还是Intel的，都可以很好运行符合x86指令集的软件。因此如果显示核心方面也有一个固定的指令集的话，那么可能每家显示核心开发公司都成为类似CPU生产厂那样的地位，而游戏开发者无疑是最期待这事发展的，因为它们不需要再去研究支持哪个公司的开发标准，因此开发变得非常透明。

　　2.多任务的图形处理

　　在Microsoft的下一代操作系统Longhorn，将很有可能迫使整个图形芯片产业升级，生产出更专精的显示芯片，以处理所有的窗口内容。这意味着，你桌面上的每个窗口都变成了3D材质，不管是游戏、数字影像、或是办公室软件皆然。处理器和图形芯片必须在多个窗口中分别处理所有Longhorn应用程序、影音文件，以及游戏，这样下来GPU将会变成CPU真正的工作伙伴，目前的图形处理器都还不能执行多任务。

　　我们可以看到水的表面反光和纹波的真实再现

　　而3Dlabs的P10已经走了硬件支持多线程处理的第一步，它们宣称可以完美地执行平行的多重线程，从而最大化地利用系统执行资源。当然这也是VPU的一个主要功能之一，其具备一个命令处理器的单元，为每个线程分配对应的处理单元和缓冲。当然命令处理器具有设置保护状态，已分配的资源可以设置为无法再次使用，这样就可以避免切换多个3D窗口而出现的蓝屏现象。

　　3.更多渲染技术的实现

　　目前的图形芯片虽然可以实现绝大部分的渲染技术，可以渲染出较为真实的画面，但似乎还有一段很漫长的道路要走，比如OpenGL 2.0和DX 9、10所定义的渲染技术，都是未来图形芯片厂商所必须遵循的道路。还有许多渲染技术，例如光线追踪（Ray Tracing）的支持，也将为未来的图形芯片发展带来全新的设计理念。

　　结语

　　图形芯片的发展已经超越了处理器的发展，这话一点都没错，自从Voodoo在1996年叩开了3D这个缤纷世界的大门后，图形芯片的发展一日千里，相信在几年前，谁也不会想到3D图形世界可以那么真实。同样，现在我们也无法肯定地预测未来的3D标准是继续由NVIDIA制订还是由3DLabs改写。也许不久的将来，显卡将能给我们更多的惊喜！