虛擬現(xiàn)實的進化：DirectX10技術(shù)詳解
DirectX包含2D/3D圖形、聲音、輸入輸出設(shè)備等多個組件，提供了一整套的多媒體接口方案。在統(tǒng)一的接口面前，硬件的差別性顯得無足輕重，編程人員得以更有效率的開發(fā)各種多媒體、游戲軟件。DirectX中3D圖形方面是最受人關(guān)注的，因為在6.0版本之前它還不是3DFX的Glide的對手，所以我們從DirectX 6.0談起：
DirectX 6.0：加入了雙線性過濾、三線性過濾等優(yōu)化3D圖像質(zhì)量的技術(shù)，加入環(huán)境影射凹凸貼圖，使3D游戲的畫面更具有真實感。
DirectX 7.0：最大的特色就是支持了T&L，中文名稱是“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和光源”，3D游戲中坐標(biāo)和燈光的轉(zhuǎn)換工作從此由CPU轉(zhuǎn)交給了GPU，比DX6.1性能提升20%。這也成就了nVIDIA GeForce 256與ATi Radeon 256的輝煌，令3DFX徹底退出市場競爭。
DirectX 7.0a：增強了力反饋游戲控制設(shè)備的性能和兼容性。
DirectX 7.1：與Windows Millennium一同發(fā)布。
DirectX 8.0/8.0a：支持Shader Model 1.0和1.1，從此在顯卡中引入可編程像素著色器（Pixel Shaders）和頂點著色器（Vertex Shaders）的概念，同時應(yīng)用在Xbox游戲機中。同硬件T&L僅僅實現(xiàn)的固定光影轉(zhuǎn)換相比，VS和PS單元的靈活性更大，它使GPU真正成為了可編程的處理器。
小知識：什么是shader？Shader就是一段可以改變像素和頂點的小程序，這個Shader小程序可以為游戲場景添加一些基本的幾何學(xué)特效。例如湖水的漣漪，它會讓特定的藍(lán)色材質(zhì)發(fā)生移動、扭曲和倒映，這樣就會給人波光粼粼的感覺了。若是要將一個物體渲染成玻璃的風(fēng)格，它就會讓一些材質(zhì)發(fā)生透明和扭曲。
DirectX 8.1：Pixel Shader升級到1.2、1.3、1.4版，可以支持最高每時鐘28指令執(zhí)行，其中1.4版當(dāng)時僅ATi Radeon 8500顯卡支持。
DirectX 9.0 Shader Model 2.0：SM2.0的shader性能更強，支持最高96指令的pixel shader長度，同時DirectPlay和一些音頻方面也有大幅提升。
DirectX 9.0 Pixel Shader 2.0b：ATI Radeon X600/700/800系列顯卡首先采納，開始支持更多指令（最高1536）和更多臨時寄存器（32相比之前為12），同時還加入新的貼面寄存器（facing register）和幾何實例（geometry instancing）的支持。
DirectX 9.0 Shader Model 3.0：支持更多指令，支持指令的流量控制和動態(tài)分支，從而使得編程人員可以在shaders中加入循環(huán)操作，使得編程更加容易，首次被Geforce 6800顯卡采用。
從DirectX的發(fā)展史中我們可以看到，微軟的3D API和硬件一同發(fā)展，新硬件帶來新的DX特性，新的DX特性加速硬件的發(fā)展，在DirectX10上面，又是一個3D圖形發(fā)展的新境界：
DirectX10：
DirectX 10要在明年初與Windows Vista的首個正式版一同推出，它將大大改變軟件開發(fā)人員進行Windows游戲開發(fā)的方式，而且很有希望給用戶同時帶來更好的畫面和強勁的性能。
現(xiàn)如今的驅(qū)動模式都是顯卡驅(qū)動從屬在 操作系統(tǒng)核心之內(nèi)，如果我們在玩游戲的時候當(dāng)機了，整個系統(tǒng)也就掛掉了。而在DX10中，圖形驅(qū)動已經(jīng)獨立開來，DX10的驅(qū)動分為了用戶模式和核心模式，Direct3D, OpenGL, DirectX視頻播放都是工作在用戶模式，互相不會影響，更不能對核心造成損害。因此DX10能夠提供比以往所有DX都強的整體穩(wěn)定性。
另外DX10的一大改革就是微軟取消了所有的特定功能管線（也就是VS、PS、ALU等），使得任何硬件都是可編程的了，軟件開發(fā)人員可以用shaders來模擬固定功能管線的功能，從而實現(xiàn)對舊程序的兼容。
DirectX 10: 僅支持Windows Vista
鑒于DirectX10的更新較大，所以僅針對最新的Vista操作系統(tǒng)，而不會有兼容WinXP的DX10版本。但是現(xiàn)在DX10的顯卡還沒有上市，而Vista上市初期肯定市場上大多數(shù)顯卡都是DX9的，因此微軟決定讓DX9的顯卡在Vista上使用一個DX10的子系統(tǒng)——DirectX9.0L。在DX9.0L下，DX9顯卡用戶可以實現(xiàn)Vista的Aero等視覺效果，用DX9的模式玩游戲。 #p#page_title#e#
在DX9上編程受到很多的限制，而DX10的目的就是完全消除這種開發(fā)上的限制，從而發(fā)揮硬件的全部性能，微軟要把DX10的Vista打造成終極游戲操作系統(tǒng)。微軟宣稱相比XP上的DX9，DX10性能最高提升6倍，就是因為DX10上解決了DX9上無法解決的批處理問題，CPU分流給GPU，不再有這種瓶頸；在DX10上，顯存也是虛擬的，顯卡可以自由共享系統(tǒng)內(nèi)存來使用；Shader Model 4.0的指令寬度更高，每時鐘可以做更多的工作；另外更重要的是，DX10上硬件的差別不存在了，例如不同的DX9顯卡會支持不同的浮點數(shù)，支不支持HDR、HDR+AA等功能，在DX10上不復(fù)存在，DX10顯卡唯一的區(qū)別就是他們的“硬”性能指標(biāo)。
統(tǒng)一shader構(gòu)架：
統(tǒng)一shader構(gòu)架的首次應(yīng)用是在微軟Xbox360游戲機上，它通過統(tǒng)一shader功能的方法來達(dá)到讓顯卡處理器工作更有效率的目的。
在DX8、DX9顯卡中有兩種shader單元：Pixel Shaders和Vertex Shaders單元，其中Vertex Shaders處理頂點，給出一個3D物體的形狀，而Pixel Shaders制造shaders填充入這些三角組成的形狀之內(nèi)，給出了3D物體的外觀，使它活了起來。
shaders處理單元的數(shù)量隨著顯卡的發(fā)展越來越多，DX8/DX9構(gòu)架中兩種shaders有各自獨立的指令集，獨立對場景進行渲染，難免會出現(xiàn)pixel shaders已經(jīng)滿負(fù)荷而vertex shaders只用了一半能力或是相反的情況，從而使得顯卡的shaders不能實現(xiàn)最優(yōu)的效率，下圖就是ATi展示的兩個極端例子：渲染鯊魚的場景Vertex shaders已經(jīng)滿負(fù)荷，而Pixel shaders還很清閑，因為沒有多少像素工作要做；而另一個水面場景的渲染則是正好相反。
而在統(tǒng)一shader構(gòu)架中，一個shader既可以進行Vertex處理，也可以進行Pixel處理，從而提高效率和性能。
統(tǒng)一shader構(gòu)架并非必須
沒有了以往DX9硬件中PS、VS的天然物理分割，在統(tǒng)一shader構(gòu)架之中，需要有一個高效率的控制器，用來動態(tài)給shader們分配渲染任務(wù)。在xbox360中，這個控制器就是負(fù)載均衡單元，這個單元用來組織和分配進入到shader處理流程的數(shù)據(jù)，它要保證shader們被完全利用，同時還要保證最好的處理順利，使游戲場景能夠快速被渲染。
每個shader單元既可以處理Vertex又可以處理Pixel，它們的功能都是一樣的，使得這一切成為了可能，而這一切都是硬件層次的工作，游戲編程人員并不需要多做了解。Xbox 360的Xeno處理器具有48個統(tǒng)一shader單元。
雖然統(tǒng)一shader構(gòu)架如此具有意義，微軟并不“強迫”顯卡廠商們在DX10中采用，也就是說即使不支持統(tǒng)一shader構(gòu)架的顯卡也可以100% DX10 SM4.0兼容。不過現(xiàn)在看來ATi和NVIDIA的下代顯卡都是統(tǒng)一shader構(gòu)架的，Intel也宣布支持此構(gòu)架。
DirectX 10的Geometry Shader
除了專門處理像素的Pixel Shader和專門處理多邊形頂點的Vertex Shader之外，DX10中還加入了一個Geometry shader，專門用來處理場景中的幾何圖形。Vertex Shader每一次運行只能處理一個頂點的數(shù)據(jù)，并且每次只能輸出一個頂點的結(jié)果。在整個游戲場景中，繪制的幾何圖形的任務(wù)量是非常龐大的，如果僅僅依靠Vertex Shader來完成，處理場景的效率會很低下。Geometry shader幾何著色器可以根據(jù)頂點的信息來批量處理幾何圖形，將點、線、三角形等基本的構(gòu)圖元素連接起來，創(chuàng)造出新的多邊形，快速的將這些處理結(jié)果傳遞給其他Shader。
Geometry shader幾何著色器工作在頂點與像素著色單元之間，當(dāng)顯卡中的頂點著色單元生成頂點信息之后，就會將這些結(jié)果交給幾何著色器來構(gòu)成更為復(fù)雜的幾何圖形，最后交由像素著色器來為這些幾何圖形添加各種材質(zhì)。Geometry shader的工作就是“接點”，將頂點之間用線連接起來。例如，當(dāng)Geometry shader擁有兩個頂點的信息時，它就可以將兩個點連接起來組成一條線，通過這條線可以繪制其他延長線上的點，而通過連接三個頂點就可以繪制出一個三角形，最后通過計算延長線上的點，就可以繪制出更為復(fù)雜的幾何圖形。 #p#page_title#e#
Geometry shader的出現(xiàn)使得游戲開發(fā)人員可以設(shè)計出更為復(fù)雜的動態(tài)器官、幾何放大、動態(tài)模糊、臉面皺紋、真實陰影、劑塑、置換、卡通等等效果，同時把CPU從這些繁重的計算任務(wù)中解脫出來，這是一個巨大的突破！
small batch問題的解決帶來的性能提升
DX9的硬件發(fā)展已經(jīng)很完善，各種燈光效果、HDR等的處理使得DX9下的游戲畫面非常漂亮，但是DX9下的硬件資源浪費也很嚴(yán)重，主要是一個眾所周知的“small batch”問題。
在DirectX9管線中，一個渲染的對象物體從一個應(yīng)用程序（例如游戲）轉(zhuǎn)換成API層次的代碼來執(zhí)行，API把這些代碼交給驅(qū)動程序驅(qū)動硬件來渲染對象，對象每次從API到驅(qū)動這個階段都會有一個額外開銷，對象數(shù)量越多這種額外開銷就越大，延長執(zhí)行時間，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問題，這就是“small batch”問題。盡管沒有完全消除這個問題，DX10中大大減少了API到驅(qū)動的額外開銷時間，以前API到驅(qū)動的時間占據(jù)總體物體渲染時間的40%，現(xiàn)在只需要20%的時間就可以完成了，從而使得游戲開發(fā)者們放心大膽在游戲中加入更多的渲染對象。
DirectX 10還有幾項關(guān)鍵性的提升：
HDR Lighting：DX10顯卡支持兩種新的浮點HDR格式，可以更有效處理HDR特效。
GPU虛擬內(nèi)存：材質(zhì)貼圖容量不再局限于顯存容量，內(nèi)存也可以被GPU自由支配了。
更好的幾何示例（geometry instancing）：讓游戲開發(fā)者有了更多物體幾何運動的方式選擇。
最大內(nèi)存材質(zhì)分辨率由DX9中的4096x4096上升到DX10的8192x8192。
Xbox360游戲中控制系統(tǒng)的引入，XInput部件使用戶在PC Vista中可以使用游戲機的控制設(shè)備了。
Directsound做了小幅更新，未來會有更大功能提升。
Stream Output：geometry shader可以輸出到緩存區(qū)。
結(jié)論：
從DX9到DX10的革新會像是從DX7到DX8那樣顯著嗎？或許不是，因為幾乎所有的重要DX10游戲特效都是延用DX9的，DX9顯卡都可以處理，只是效率比較低而已。但是在新的DX10 API上，游戲開發(fā)者們在游戲中加入各種特效，并使它們高效運行上將更加得心應(yīng)手，從而大大提高游戲的真實性。此外就是原來CPU的一些工作，通過新的API可以轉(zhuǎn)移給GPU來做；新的geometry shader提高游戲物體的幾何數(shù)量，使得游戲中HDR lighting、volumetric fog、景深等特效更易部署。
下一代游戲API的面貌已經(jīng)完整呈現(xiàn)在我們面前，只等顯卡就緒，就開始全新的DirectX世界之旅吧。
