曲面細分有必要？談DX11對畫質(zhì)的影響
不知你是否還記得《大話西游》中紫霞仙子的本尊是什么？她和她的姐姐正是如來佛祖面前油燈中的兩根燈芯，生生世世糾纏在一起，彼此脫離不了纏繞的命運，愈掙扎捆綁的愈緊，這就是宿命。正如游戲與DirectX的關(guān)系一樣，相伴相生。
farcry中著名的DX9C HDR效果
在crysis中成名的DX10體積光
在過去的數(shù)年中，我們經(jīng)歷了數(shù)次具有革命性意義的DirectX版本升級，每一次的變換都帶給我們更絢爛的游戲畫面，都讓我們更接近渲染真實的終極目標(biāo)。特別是從DX9C開始，幾乎每一次的版本升級，都會帶來一個或幾個讓玩家牢記心中的核心級的技術(shù)進步，比如DX9C帶來的HDR效果，DX10帶來的體積光。玩家們甚至可以說，出現(xiàn)了HDR效果的就是DX9C游戲，出現(xiàn)了體積光的則是DX10游戲。
即使放在DX11快速普及的今天，DX9C和DX10依然被眾多游戲開發(fā)廠商所采用，而且作品依然被大量玩家接受，上述這些圖形技術(shù)核心亮點絕對是居功至偉的功臣。而現(xiàn)在以及未來相當(dāng)一段時間內(nèi)的絕對主角DX11能提供給我們什么有價值的圖形核心技術(shù)，讓我們有理由去認可它接受它，讓游戲開發(fā)廠商對其不離不棄？
如同DirectX與游戲相生相伴一樣，自DX11問世后，就有一個名詞與其形影不離——Tessellation，或者我們更熟悉它的中文名：稱曲面細分。應(yīng)該說，在DX11的圖形更新中最為重點的變革就是曲面細分技術(shù)的引用，套用之前DX版本與游戲的關(guān)系，凡出現(xiàn)了曲面細分效果的游戲，就是DX11游戲，反過來說，只有DX11標(biāo)志性的曲面細分技術(shù)加持的游戲，才能稱作真DX11游戲，否則只能說是套著DX11光環(huán)的濫竽充數(shù)之作。而這樣的情況在之前也不少出現(xiàn)，如同樣是DX10游戲，《Crysis》達到的畫面效果才是真正的DX10，而大量號稱DX10技術(shù)但畫面質(zhì)量甚至不如DX9C的作品，只能說是“偽”DX10。
正式由于曲面細分對于DX11和用戶游戲體驗的重要性，所以圍繞著它產(chǎn)生了不少的口水與是非。但對于我們大量的普通用戶和玩家而言，可能只看到吐沫橫飛，隔空對罵，甚至還沒弄明白曲面細分是個什么東西。或者說，用戶對于一種技術(shù)到底是什么也沒什么興趣，更關(guān)心的是我升級到了DX11顯卡，運行了DX11游戲，到底能從曲面細分技術(shù)上獲得怎樣的畫質(zhì)提升。簡單的說，曲面細分是一種可以讓游戲畫面細節(jié)更豐富逼真，模型更圓滑真實的技術(shù)，而且其應(yīng)用并不復(fù)雜，在DX11軟件的開發(fā)中，很容易就可以使用，結(jié)合好效果+出眾的畫質(zhì)提升能力，自然會成為真DX11游戲的核心標(biāo)準(zhǔn)。
實際上，我們所說的曲面細分的作用，只是機械的為一個多邊形模型增加更多的多邊形數(shù)量，這就是其核心內(nèi)容，如果不加前后期控制，這樣的技術(shù)對于提升圖形效果起不到任何作用，對于性能反而還會起到負面影響。
之所以在DX11中，曲面細分會有改善畫質(zhì)的作用，我們通過一張DX11流水線圖的觀察就能發(fā)現(xiàn)其原因。在增加了Tessellator外，流水線前面還多出了Hull Shader后面還增加了Domain Shader兩個模塊，也就是說要想通過曲面細分獲得圖形效果提升，必須在曲面細分前后加以人工控制，不能任由其發(fā)揮。
對于Hull Shader、Tessellator、Domain Shader這三個新加入的單元的作用，上面這張圖給予了較為明確的回答。Hull Shader主要負責(zé)定義細分等級（LOD）和相關(guān)控制點在細分中的“形變”趨勢，這里的形變之所以加引號，是要說明這種形變僅僅是類似于曲率改變等小幅度的變化，而非大幅度的多邊形位移；Tessellator則負責(zé)根據(jù)HS傳輸下來的信息，通過暴力增加多邊形去實現(xiàn)HS的要求；Domain Shader負責(zé)的最重要的功能就是通過貼圖控制的方式，實現(xiàn)模型的形變，也就是我們大家在DX11的細分曲面中看到的高細節(jié)畫面。
通過上述的分析，大家應(yīng)該可以得出一個結(jié)論，實際上細分曲面負責(zé)的僅僅是為后續(xù)的提升畫質(zhì)的運算提供物質(zhì)基礎(chǔ)，無論是置換貼圖和平滑效果，都需要有大量多邊形的存在才能實現(xiàn)。試想，如果開發(fā)者想在一個三角形上通過置換貼圖實現(xiàn)一座城市的地貌效果，空有精美的置換貼圖，區(qū)區(qū)三個頂點如何形變拉伸？巧婦難為無米之炊，但如果給你100000個頂點呢，事情就容易多了。
我們已經(jīng)知道，曲面細分的作用是在原有模型上，將多邊形數(shù)量大幅增加。一個原來只有100個三角形構(gòu)成的模型，突然間被賦予了100000個三角形，游戲開發(fā)人員能如何利用這些多出來的免費資源？或者說，玩家如何看出100000個多邊形的模型和100個多邊形模型的區(qū)別？由于現(xiàn)在桌面級圖形技術(shù)都是基于多邊形建模原理，所以無論是四邊形、三角形、圓形，還是任意形狀，都是由數(shù)量有限的三角形構(gòu)成的。這就導(dǎo)致我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)物體，特別是本應(yīng)圓滑的物體出現(xiàn)生硬的邊緣，即使粗看下是圓滑的邊緣，在放大觀察的情況下，也是由一條條直線連接而成，這都是因為多邊形數(shù)量不足造成的。如果想要獲得能欺騙視覺的圓滑效果，就必須將多邊形數(shù)量提升到一定程度。
舉個例子，現(xiàn)在不再火熱但卻更加風(fēng)情萬種的勞拉小姐，在《古墓麗影》第一代中出現(xiàn)的時候，全身都是“硬朗”風(fēng)格的直線條，號稱肌肉美女。但并不是游戲開發(fā)人員希望把勞拉變成史泰龍，而是在當(dāng)時圖形運算能力極為有限的情況下，多邊形數(shù)量必須嚴(yán)格控制，否則游戲速度就不能得到保證。而在最新的《古墓麗影》版本中，由于硬件機能的極大提升，多邊形已經(jīng)不是游戲開發(fā)者值得顧慮的問題，勞拉又回歸了最初設(shè)定的性感豐滿，只是玩家的熱情和游戲的素質(zhì)不再了。
還有，當(dāng)年最紅的FPS游戲《Quake III Arena》，當(dāng)我們把幾何細節(jié)開到最高的時候，包括門洞等模型都將呈現(xiàn)出比較圓滑的過度，而當(dāng)幾何細節(jié)降低后，依然是丑陋的三角邊。雖然id software給這種技術(shù)其了很拉風(fēng)的名字，但實際內(nèi)容還是通過更多的多邊形去近似描繪圓滑表面。
DX11游戲大作《S.T.A.L.K.E.R：Call of Prypiat》中就充分了利用了曲面細分的這一特質(zhì)，有效提升了游戲畫質(zhì)。
以上的幾個例子都說明了一個問題，當(dāng)多邊形數(shù)量提升后，我們將會獲得更平滑圓潤的模型，而曲面細分正式能相當(dāng)輕松的提供給游戲開發(fā)者數(shù)量極為龐大的多邊形去使用，結(jié)果自然是讓100個三角形的簡陋模型變成了100000個三角形的圓潤模型。玩家看到的圖形效果也就獲得了提高，這正是細分曲面提升畫質(zhì)的第一重作用。
同樣還是那個由100個三角形組成的模型，同樣還是免費的將它升級到100000個三角形，但是這個模型從勞拉變成了怪獸，我們不再需要圓滑，而是豐富可信的細節(jié)，這100000個多邊形能有什么作用？
很多用戶都知道凹凸貼圖（Bump Mapping）、法線貼圖（Normal Mapping）等技術(shù)，可以通過貼圖的方式提升模型的細節(jié)。但是這些貼圖技術(shù)只是通過欺騙肉眼的方式模擬出細節(jié)，而且不能進行深度較大的視角偏移或者拉近觀看，否則很容易看出破綻，因為它們都不能對模型本身做任何處理，可以說是光影的欺騙術(shù)。
而通過曲面細分技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)量巨大的多邊形，就給了模型一個“重生”的機會，以為更多的頂點可以通過人工控制的方式實現(xiàn)真實的頂點位移，直接對模型的外形產(chǎn)生影響，讓模型具備真實可信的細節(jié)。而利用這大量免費多邊形產(chǎn)生模型頂點位移的技術(shù)就被稱作置換貼圖（Displacement Mapping）。
置換貼圖是通過一張深度貼圖（實際上可以理解為一張黑白貼圖，通過黑白深淺的不同來確定對應(yīng)的頂點的偏移量），來控制通過曲面細分產(chǎn)生的大量頂點，制造出實際的模型位移，使得模型的細節(jié)大幅提升，明顯改善畫面質(zhì)量。從實際的意義和效果上說，這將遠比簡單的平滑模型來的更重要，對于畫面的改善效果也更明顯。
舉個例子來說明更容易理解。以目前被廣泛使用的DX11測試軟件《Heaven》而言，在開啟曲面細分后（實際上是開啟了曲面細分+置換貼圖的組合），畫面的細節(jié)程度被極大的提升了，無論是地磚的溝槽還是紅龍身上的褶皺骨骼細節(jié)，都被細致的描繪了出來，而且由于是通過對模型頂點的位移操作，這些多出來的細節(jié)還能產(chǎn)生真實的陰影等效果。反觀在關(guān)閉曲面細分選項后，一切歸于平靜，城市不再華麗，紅龍也不再威嚴(yán)。
在另一款標(biāo)桿性DX11游戲《Stone Giant》中，通過曲面細分+置換貼圖達到了的畫質(zhì)提升同樣非常顯著，整個場景的細節(jié)程度獲得大幅加強，讓畫面更加逼真。
置換貼圖由于需要大量的頂點去進行位移，所以需要模型具備足夠數(shù)量的多邊形，而曲面細分做的事情也正是如此，這也就成為了它提升畫面質(zhì)量的第二重作用。
細分曲面另外一種提升畫質(zhì)的方式是通過置換貼圖實現(xiàn)的，而這里就需要大量的后期控制，也就是說在大量頂點生成后，通過什么方式去控制這些新增加的頂點形變，以期達到我們想要的增加模型細節(jié)的目的。實際上，控制新增加頂點形變的手段并不只有置換貼圖一種方式，只不過它是被用到最多也相對來說比較容易的，所以我們在前文中一直是用“置換貼圖”來表述形變控制。大體而言，形變控制除了用置換貼圖外，還可以使用程序控制的方式。
由于通過細分曲面新產(chǎn)生的大量新頂點都是實際存在的，也就是都有三維空間坐標(biāo)，通過一定程序的制定，就可以控制這些坐標(biāo)進行位移，如果說通過貼圖控制是靜態(tài)的，那通過程序控制就是動態(tài)的，因為在程序中我們可以加入很多種變量，讓頂點呈現(xiàn)不斷的變化，比如說水面或者飄動的旗幟。
通過Occean technology demo這個測試可以非常明顯的觀察到，打開曲面細分技術(shù)，并且調(diào)節(jié)細分級數(shù)的不同，海面將呈現(xiàn)出明顯不同的變化。特別是當(dāng)級數(shù)提升后，海面的細節(jié)就變得極為豐富逼真。實際上去控制海面變化效果的程序代碼是一樣的，但是由于可控制頂點數(shù)量的不同，所以呈現(xiàn)出來的效果也就出現(xiàn)了不同，這就是曲面細分在這里發(fā)揮的作用。
實際上，在DX11曲面細分技術(shù)出現(xiàn)之前，這類效果就已經(jīng)開始被使用了。在目前依然頂著最強畫質(zhì)頭銜的《Crysis》中，Crytek2引擎就采用了一種叫做Screen-Space Tessellation的技術(shù)，實際上就是通過程序去控制大量的曲面細分頂點制造出逼真的海洋效果，再配合游戲本身出眾的光影技術(shù)，使得效果更佳逼真。
與流體表面相類似，通過曲面細分技術(shù)，我們還可以得到更加真實的其它物理運算效果。以上兩張圖分別表現(xiàn)了一個經(jīng)過曲面細分處理后的旗幟和人類頭發(fā)的效果，它們都擁有了更自然順暢的飄動效果。這就是當(dāng)頂點數(shù)量增加后，通過重力場、風(fēng)場等物理程序控制的效果更佳連貫的結(jié)果。
雖然通過程序控制頂點形變效率很高，但是這種效果只能適用于無序、大面積的場景中，比如像海洋這樣的自然地貌。如果需要針對特定的模型，進行特定的控制，比如說游戲人物，我們還是要動用前面說過的置換貼圖技術(shù)。而置換貼圖本身實際上又可以分為兩種不同的方式去操作。所謂的兩種方式，實際上是指用以置換的貼圖獲得方式的不同，這對于用戶而言是不可見的差別，但對于游戲開發(fā)商而言，就存在難以的差別。
第一種方式，實際上在早前的一些游戲引擎的介紹中，已經(jīng)講述過很多次，只不過當(dāng)時我們談?wù)摰牟皇侵脫Q貼圖，而是法線貼圖。就是在游戲開發(fā)的前期，模型師就建立一套高細節(jié)的模型，然后通過“烘焙（BAKE）”的方式將這些細節(jié)信息保存成一張置換貼圖，然后在游戲中通過這張貼圖的信息去控制曲面細分出來的數(shù)量眾多的頂點。實際結(jié)果就是一個低多邊形模型通過曲面細分+置換貼圖達到了與高細節(jié)模型相同的效果。
這種方式可以獲得效果非常好的的置換貼圖，但開發(fā)商要在前期建立一個高細節(jié)模型，其開發(fā)成本實際上并沒有太多的降低。不過隨著像ZBrush這類建模軟件的成熟，制作一個高細節(jié)模型也并不是什么太復(fù)雜的事情了。以上是《虛幻3》中的法線貼圖制作流程，實際上和置換貼圖的制作過程一樣。
第二種方式，就讓游戲開發(fā)商非常省心省力了，因為根本就不用制作專門的置換貼圖，這樣就節(jié)省了大量的開發(fā)成本和開發(fā)周期。
我們都知道一般模型至少會有一張色彩貼圖，而色彩貼圖中的Alpha通道所包含的信息，就可以直接當(dāng)作置換貼圖使用，當(dāng)然如果利用凹凸貼圖去做效果會更好一些。上圖就是利用專業(yè)圖形軟件MAYA去簡單展示的利用色彩貼圖中Alpha通道信息去控制頂點的效果。
當(dāng)然，這種貼圖本身所包含的信息并不是針對頂點位移控制建立的，所以在精度上不是很高，用來對人物模型使用可能并不合適。但對于場景，比如像《Heaven》中的地磚、墻壁等部位使用就非常合適了，其效果與專用的置換貼圖相差無幾。
在熱門空戰(zhàn)游戲《HAWX2》中，大范圍的地形細節(jié)變化也充分體現(xiàn)了通過貼圖控制曲面細分達到良好置換貼圖的效果。我們在如上兩張游戲運行對比圖中可以清晰的看出，在開啟與關(guān)閉曲面細分狀態(tài)下，畫質(zhì)呈現(xiàn)的巨大差異。我們曾經(jīng)抱怨空戰(zhàn)游戲只能遠觀不可褻玩，除了飛機本身精致外，其它場景都只是簡陋的貼圖，而當(dāng)曲面細分技術(shù)加入后，空戰(zhàn)游戲?qū)⒁虼税l(fā)生巨大呃畫質(zhì)飛躍。
我們選擇兩款目前流行度很高的DX11游戲?qū)η婕毞衷谟螒蛑械淖饔煤退俣冗M行了簡單的對比分析。《Lost Planet2》是一款具有光榮傳統(tǒng)的游戲大作，在DX10時代就以率先支持DX10技術(shù)而著稱，在DX11時代已然延續(xù)了對技術(shù)快速提供支持的風(fēng)格，率先利用了DX11及曲面細分效果，使得游戲畫面再次獲得提升。
首先我們通過一個簡單的GIF動畫來對比DX9C和DX11（曲面細分）模式下游戲的不同畫質(zhì)。同幀的切換非常直觀，在DX11模式下，畫面細節(jié)得到了驚人的展現(xiàn)，這也充分展示了曲面細分增強畫質(zhì)的能力。而DX9C模式下整體畫面也算不錯，但和DX11模式比較高下立判。
DX11（曲面細分）對于畫質(zhì)的提升作用在真實游戲中得到驗證，但酣暢淋漓的游戲體驗除了速度外更需要速度加以保證。我們首先基于NVIDIA GTX480顯卡在DX9C和DX11模式下的幀速曲線進行對比。通過對比可以看到，在開啟DX11模式后，游戲整體幀速受到一定影響，但還在流暢級以上。最重要的是，曲線的波動性是發(fā)生了根本性的變化，在DX11模式下，幀速曲線波動明顯受到DX11特效（曲面細分）使用多寡產(chǎn)生了幾個明顯波峰波谷，波峰處說明特效使用較少，波谷處則較多。而我們知道，游戲的流暢度與平均速度和最低幀速都有關(guān)系，當(dāng)DX11曲面細分特效使用較多時，極有可能出現(xiàn)游戲的最低幀速情況，這就考驗顯卡的DX11曲面細分能力是否給力，而NVIDIA顯卡在這方面一直有業(yè)界最頂尖的性能水準(zhǔn)。
單單一款顯卡的比較不足以說明問題，我們還拉來了AMD HD5870顯卡進行對比。我們對比的是在DX9C和DX11兩種模式下兩款顯卡的性能差異。從柱狀圖中可以看出，如果在DX9C模式下，HD5870與GTX480的性能差距并不大，可以說兩者旗鼓相當(dāng)，但換作DX11模式下，GTX480的領(lǐng)先幅度迅速拉大。
另一款DX11新進大作《HAWX2》，也同樣可以說明在DX11模式下，NVIDIA真DX11架構(gòu)顯卡擁有更出眾的效能表現(xiàn)，更能適應(yīng)DX11模式下的游戲運行需求。
從數(shù)據(jù)對比中可以得出結(jié)論，NVIDIA當(dāng)前的DX11圖形架構(gòu)，對于包括曲面細分在內(nèi)的DX11圖形特性更有針對性的進行了設(shè)計，所以更適合與DX11游戲的運行，是全新的DX11架構(gòu)產(chǎn)品，而不僅僅是一張在DX9C上簡單加入了DX11支持的顯卡。對于用戶而言，買DX11顯卡，當(dāng)然是為了玩爽DX11游戲，而不是當(dāng)作一張DX9C顯卡獲得數(shù)年前的游戲效果。
通過過往的大量測試，我們已經(jīng)證明了在這場DX11大戰(zhàn)中，或者說曲面細分大戰(zhàn)中，NVIDIA顯卡擁有同代產(chǎn)品中最為優(yōu)秀的曲面細分性能，而且是大幅度超出，在諸如《Stone Giant》、《Heaven》、《Lost Planet2》、《HAWX2》等真DX11游戲或測試中取得了明顯超越對手的性能表現(xiàn)。
也正是由于NVIDIA在DX11曲面細分的出色表現(xiàn)，使得競爭對手再次推出了新一代GPU產(chǎn)品，其最大最為重要的改進就是加強硬件曲面細分技能，力求在越來越多的DX11游戲中獲得更良好的表現(xiàn)。但NVIDIA GeForce400及500系列在核心架構(gòu)上先天的優(yōu)勢，即使面對對手新一代產(chǎn)品競爭，依然保持DX11性能的領(lǐng)先。
通過這篇文章，我們盡量希望通過簡單的語言描述，為大家去講解DX11中曲面細分的作用和意義，以及對于用戶而言可以獲得哪些實際的畫面提升感受，并針對這些技術(shù)是否容易被開發(fā)商采用而廣泛的出現(xiàn)在更多的游戲作品中。
相信大部分讀者已經(jīng)認同，曲面細分是一項很優(yōu)秀的技術(shù)，但是曲面細分實際上只是一個中間過程，并非我們最后看到的結(jié)果。曲面細分產(chǎn)生的大量多邊形，在人為控制下產(chǎn)生的各種形變才是改善畫面質(zhì)量的根本因素，這是一個相輔相成的過程。
對于開發(fā)商而言，一款好技術(shù)如果不容易使用，也會被拋棄。而在我們分析的幾種情況下，曲面細分實際上都還算是容易使用的，而且在之前開發(fā)商通過其它同類相關(guān)技術(shù)已經(jīng)積累了不少經(jīng)驗，相信在未來的游戲中我們會越來越多的看到由曲面細分技術(shù)為我們帶來的驚艷視覺效果。
大家來找茬
真DX11曲面細分游戲效果
無DX11曲面細分游戲效果
關(guān)注我們
