完美DX10!ATI新王者HD2900XT權威評測

● 第三章 第四節 Shader Model 4.0

    當Shader Model 3.0的光彩尚未退去的時候，在DirectX 10中，又引入了Shader Model 4.0。它包含下面幾項革新：

1 加入了一種新的Shader——Geometry shader

    通過它可以編程操縱幾何圖元；為vertex、geometry、pixel shader采用了統一的Sahder架構。Geometry shaders是可編程圖形流水線的一大進步。它第一次允許由GPU來動態的生成和銷毀幾何圖元數據。通過和新的數據流輸出功能配合使用，許多以前無法實時使用的算法現在都可以在GPU中使用了。在下一節，將仔細討論Geometry shaders。

2 統一的Shader架構

    在DirectX 9中，Pixel shader總是在各個方面落后于vertex shaders，包括常量寄存器個數、可用的指令個數、shader長度等。程序員需要區分對待這兩種shader。

    而在shader model 4中，這vertex、geometry和pixel shader有著統一的指令集、同樣的臨時/常量寄存器個數。它們將平等的共享GPU中的所有可用資源。在游戲程序中不用再考慮每種shader自身的限制了。

3 百倍于DirectX 9的可用資源

    對于shader中可用的資源，在Shader model 4.0中比原來有了驚人的擴充。就像早期的程序員們絞盡腦汁的省著用可憐的640k內存一樣，在使用以前的DirectX開發游戲的過程中，程序員需要小心翼翼的分配珍貴的shader寄存器資源。寄存器的數量，直接影響著shader程序的復雜度。這和在640k內存的機器上，怎么也不可能寫出Microsoft Office這樣的大規模軟件是同一個道理。而在DirectX 10中，將臨時寄存器由原來的32個擴充到了4096個，將常量寄存器由原來的256個擴充到了65536個！而這些并不僅僅是DirectX給出的理論值——在Geforce 8800架構中，它們都是實實在在的在顯卡上面的！

4 更多的紋理

    在Shader Model 4.0中提供了對紋理陣列(Texture arrays)的支持。在前文中已經對紋理陣列有了比較詳細的介紹，在這里只著重介紹一下與shader相關的部分。在每個紋理陣列中，最多可以保存512張同樣大小的紋理。而且每張貼圖的分辨率被擴展到了8192×8192。更大的分辨率意味著紋理中更豐富的細節。在一個shader中能夠同時訪問的紋理個數被增加到了128個，也就是說在每次執行同一個shader時，可以使用一個紋理陣列的512個紋理中的128個。所以說，在DirectX 10中，紋理的多樣性和細節程度將會有大幅的提升。

  使用紋理陣列實現細致的紋理

5 更多的渲染目標（Render Target）

    所謂渲染目標，就是指GPU可以把畫面繪制到的目標，我們可以把它理解為GPU的畫布。一般來說，渲染目標被輸出到屏幕上，這樣我們就能看到畫好的畫面了；但是有時為了實現一些特效，某些渲染結果并不直接畫到屏幕上，而是再返給GPU做進一步的特效處理；而且渲染目標中也不一定是畫好的畫面的顏色信息。

    根據特效的需要，它們可能是每個物體距離屏幕的遠近，或者物體表面上每個像素的方向，或者每個物體表面的溫度（為了實現《分裂細胞》中那種熱能感應器的效果）…總之為了實現特效，可以按需要在其中繪制任何信息。為了提高這種情況下的效率，很多新的顯卡都支持在同一遍Shader執行結束后，同時把不同的信息繪制到不同的渲染目標中。在DirectX 9中就已經支持這種機制了，但是它約束最多同時向四個渲染目標繪制。而DirectX 10將這個數量提升了一倍。

6 新的HDR顏色格式

    要說這些年來在實時圖形界炒得最熱的概念，應該是HDR了。它通過采用浮點格式的顏色格式來為紋理、光照等計算提供極大的精度和顏色范圍（以前的紋理一般都是采用整數型的顏色格式）。盡管最后顯示到屏幕上還是每個顏色通道8位的整數格式，但是以前由于在材質、光照計算中紋理也是用每通道8位的格式來參與計算，所以在顯示到畫面之前，很多細節就在低精度的運算中丟失了。

    而采用每顏色通道16位浮點數的紋理，能夠保證在運算過程中幾乎沒有顏色細節信息的丟失。另外，采用16位浮點格式的顏色通道，可以表現更大的顏色范圍。這些就是HDR的優越性。對于玩家來說，當游戲中的畫面罩上一層HDR效果后，立刻顯得和真正的照片一樣，有朦朧的光暈、細致的高光和十分自然的色調。在玩《優品飛車9》時，充滿風格的色調讓人有一種置身于電影里的感覺。

 HDR（高動態范圍）渲染。圖片來源：Futuremark

    然而，采用每個顏色通道16位浮點數的格式，比采用每通道8位的整數格式的紋理要多占據一倍的顯存；這給繪制的效率帶來了負面的影響。所以在DirectX 10中引入了兩個新的HDR格式。第一種是R11G11B10，表示紅色和綠色通道用11位浮點數，而藍色通道采用10位浮點數表示。那么，為什么不都用11位呢？這是為了湊32這個整數。學過計算機的人都知道，當內存中一個數據單元的寬度是32位時，對它的操作效率最高；而且在紋理數據中一般要求每個像素的數據寬度是2的倍數，如2,8,16,32,64等等。又因為人眼對藍色的敏感度不如對紅色和綠色，所以它比其他兩個通道少用了一位。

    另外一種格式是采用每通道9位尾數、所有通道共享5位指數的形式（眾所周知，在計算機中，浮點數是采用尾數附加指數的形式來表示的），加起來還是32位。這些新的格式使得紋理能夠與原來占用同樣多的顯存空間，避免了大的空間和帶寬消耗。同時，為了適合需要精確的科學計算的場合，DirectX 10和Geforce 8800 GTX完全支持每通道32位（4個通道加起來128位）精度的浮點數紋理。

總結

    上面提到的這些擴充和提高，對于圖形程序員來說是一件非常爽的事。他們可以擺脫束縛，創建出包含前所未有的細節度的實時游戲場景；對于玩家來說也是一件非常爽的事，因為他們的眼球有得養了。