大一統(tǒng)的時(shí)代

澶染引擎(Shador)的作用

在Shader出現(xiàn)之前的渲染中，很多任務(wù)需要CPU來(lái)輔助完成，比如生成頂點(diǎn)。渲染引擎的出現(xiàn)，可以作為3D處理歷史上的一次變革。渲染引擎是如何獨(dú)立工作的呢?來(lái)看看下面這個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖吧。

頂點(diǎn)作為一個(gè)3D模型的骨架，越細(xì)密表現(xiàn)就越接近真實(shí)。在頂點(diǎn)處理中，常常采用近似的方法，比如圓是以多邊形來(lái)表示的，一般使用五邊形、六邊形等等，當(dāng)然邊數(shù)越多則越接近標(biāo)準(zhǔn)的圓。頂點(diǎn)渲染引擎的作用就是生成這些多邊形或者三維模型頂點(diǎn)，并將整個(gè)物件的框架勾勒出來(lái)。頂點(diǎn)渲染引擎極大地解放了CPU的任務(wù)，使得原本由CPU做的頂點(diǎn)工作由自己完成，這樣CPU就可以處理其他相關(guān)的任務(wù)，比如AI計(jì)算等。

頂點(diǎn)處理完成之后，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)Setup的過(guò)程。Setup引擎可以將空間的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕上可以顯示的二維，同時(shí)剔除那些被遮擋的部分。接下來(lái)就是像素渲染過(guò)程：像素渲染確定每一個(gè)需要計(jì)算的像素的顏色、光照情況，并且根據(jù)設(shè)置決定是否進(jìn)行HDR等高強(qiáng)度的浮點(diǎn)運(yùn)算。在這里，還應(yīng)根據(jù)需要對(duì)物體表面進(jìn)行紋理貼圖，使它看起來(lái)栩栩如生。紋理貼圖可能進(jìn)行多次，以更強(qiáng)地表現(xiàn)物體的表面效果。早期的像素渲染引擎對(duì)于像素的運(yùn)算處理和紋理貼圖的處理量基本相當(dāng)，而近來(lái)由于HDR、SoftShadow等技術(shù)的應(yīng)用，加大了像素處理的強(qiáng)度，同時(shí)紋理有所減弱。最后再經(jīng)過(guò)ROP等處理步驟，就可以得到我們?cè)陲@示器上看到的圖像了?？偟膩?lái)說(shuō)，像素渲染和頂點(diǎn)渲染都解放了CPU，極大地提高了我們計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)作效率。

為什么需要統(tǒng)一

顯卡從DirectX 8開(kāi)始，進(jìn)入頂點(diǎn)渲染引擎(VertexShader)和像素渲染引擎(Pixel Shader)的時(shí)代。頂點(diǎn)渲染和像素渲染各司其職，同心協(xié)力地完成了對(duì)3D畫(huà)面的運(yùn)算和處理。

但俗話說(shuō)：分久必合。在分引擎渲染取得極大成功之后，像素和頂點(diǎn)渲染的問(wèn)題也暴露了出來(lái)。傳統(tǒng)的像素頂點(diǎn)分開(kāi)渲染的模式造成了GPU的資源分配不均衡。最為典型的表現(xiàn)就是：在頂點(diǎn)渲染忙碌的時(shí)候(比如大量的草地、樹(shù)葉場(chǎng)景)，像素渲染引擎卻吃不飽；反之，在遇到如水面、復(fù)雜光線運(yùn)算等場(chǎng)景的時(shí)候頂點(diǎn)渲染引擎往往沒(méi)有事情干。

對(duì)于一個(gè)處理器而言(這里專指圖形處理器)，工作狀態(tài)下全部晶體管都處于忙碌才能得到高效率。而統(tǒng)一渲染架構(gòu)之前的分離渲染架構(gòu)GPU已經(jīng)難以適應(yīng)目前技術(shù)的發(fā)展——這一點(diǎn)也可以從頂點(diǎn)渲染引擎和像素渲染引擎的數(shù)量比上來(lái)看出：從早期DirectX 8時(shí)代的1:1，到DirectX9的1:2，再到如今的1:3。我們的設(shè)計(jì)總是偏向于像素引擎，但是仍然滿足不了需要。如果在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候，頂點(diǎn)渲染引擎也可以加入像素渲染的處理，無(wú)疑對(duì)整4-GPU的效率有極大的提高，同理，在一些草木叢生的頂點(diǎn)復(fù)雜場(chǎng)景，像素渲染引擎可以加入頂點(diǎn)處理，我們也不用眼看著像素處理引擎無(wú)事可做了。

在其他方面，由于分離架構(gòu)專門為3D處理而設(shè)計(jì)，使得通用性大大下降。我們上文中敘述GPU中資源調(diào)配不平衡，造成了浪費(fèi)。實(shí)際上在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，GPU往往擁有最強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。但除非進(jìn)行3D處理，否則它很難表現(xiàn)出來(lái)。并且在一些要求強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算的場(chǎng)合，由于GPU通用性不夠，我們只能使用大量的CPU來(lái)集成運(yùn)算，效能相當(dāng)?shù)拖?。并且就算?D處理中，如果速度足夠快(比如平均幀數(shù)在100幀以上的時(shí)候)，多余的運(yùn)算能力完全可以解放出來(lái)處理音頻、AI、物理效果。但是目前的分離架構(gòu)做到這一點(diǎn)非常困難。這也是我們看到很多關(guān)于這方面的設(shè)想但最終無(wú)疾而終的原因。

在實(shí)際應(yīng)用中，統(tǒng)一渲染架構(gòu)將使用ALU(算術(shù)邏輯引擎，也稱流處理器)來(lái)替代我們熟悉的VS和PS。每一個(gè)流處理器可以支持任何類型的運(yùn)算，如頂點(diǎn)、像素、紋理、幾何處理，甚至AI和物理處理。它是系統(tǒng)的多面手，也是系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵。在這種類似于CPU設(shè)計(jì)的無(wú)差別流處理器上，我們可以有效地提升GPU的處理效率，并且使其通用性大大加強(qiáng)。

統(tǒng)一渲染架構(gòu)有哪些好處?

統(tǒng)一渲染架構(gòu)的出現(xiàn)，不僅改變了圖形處理的分離模式，給整個(gè)圖形業(yè)界帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響，并再次釋放了CPU的壓力。在統(tǒng)一渲染架構(gòu)的基礎(chǔ)上，配合優(yōu)秀的API，我們可以繼續(xù)提升畫(huà)面的效果，使得3D圖形處理更接近現(xiàn)實(shí)情況。

在軟件編制上，統(tǒng)一渲染架構(gòu)降低了程序編制難度。早期的3D編程非?；逎y懂，并且存在各種各樣莫名其妙的限制。程序員不得不在編制的時(shí)候花相當(dāng)多的時(shí)間來(lái)權(quán)衡利弊。在SM2.0、3.0出現(xiàn)后，這種情況得到了極大的緩解，并且由于可編程能力的提高，頂點(diǎn)和像素編程在很大程度上出現(xiàn)了通用的可能——但由于分離架構(gòu)限制，我們?nèi)匀恍枰獮樗鼈儐为?dú)編制。統(tǒng)一渲染架構(gòu)打破了這些條條框框，程序員不再需要為每一種處理引擎編寫(xiě)程序，他只需要編寫(xiě)一個(gè)總的、限制很少、自由度很高的程序，GPU會(huì)自動(dòng)調(diào)配資源進(jìn)行處理。

在3D程序運(yùn)行上，如上文所說(shuō)，使用流處理器替代了VS和PS之后，在各種3D場(chǎng)景計(jì)算中可以作出更加靈活的處理。如在頂點(diǎn)密集型運(yùn)算中，全部流處理器都可以加入頂點(diǎn)運(yùn)算，然后將數(shù)據(jù)再次進(jìn)行像素或者紋理操作。引擎閑置等候工作的情況將再不會(huì)出現(xiàn)在統(tǒng)一渲染架構(gòu)當(dāng)中。

在其它方面，由于流處理器的加入，我們可以更加靈活地使用顯卡的強(qiáng)大運(yùn)算能力，如物理加速、利用顯卡的強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算能力進(jìn)行通用處理計(jì)算等等。統(tǒng)一渲染架構(gòu)中使用的流處理器除了能大幅度提升顯卡的工作效率以外，還可以帶給顯卡前所未有的自由性，或許GPU很快就可以發(fā)展成為機(jī)箱中的另外一個(gè)處理中心——不僅僅是3D圖形，音頻、科學(xué)計(jì)算、AI、物理效果，它都可以完成。GPGPU的理想或許在統(tǒng)一渲染架構(gòu)下將很快成為現(xiàn)實(shí)。

統(tǒng)一渲染架構(gòu)不會(huì)遙遠(yuǎn)

從NVIDIA GeForce 8800系列上，我們第一次看到了高端統(tǒng)一渲染架構(gòu)GPU帶來(lái)的性能飛躍。同樣采用統(tǒng)一渲染架構(gòu)的主流產(chǎn)品——GeForce 8600/GeForce 8500系列讓我們看到了統(tǒng)一渲染架構(gòu)的高效率(GeForce 8600內(nèi)置32個(gè)流處理器，GeForce 8500僅僅為16個(gè)流處理器，結(jié)構(gòu)上比前一代同檔次的GeForce7900、GeForce7600、GeForce7300精簡(jiǎn)了很多，但卻有達(dá)到甚至超過(guò)前一代產(chǎn)品的性能)。AMD新一代的HD系列產(chǎn)品在性能提升的前提下，更是擁有了強(qiáng)大的硬件解碼能力。統(tǒng)一渲染架構(gòu)將給我們帶來(lái)更強(qiáng)大的運(yùn)算能力以及靈活使用這些處理能力的方法。在統(tǒng)一渲染架構(gòu)成熟后，GPU強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力將更好的為我們服務(wù)，而不是像現(xiàn)在那樣藏在機(jī)箱的深處，僅僅進(jìn)行3D的處理。在大一統(tǒng)時(shí)代來(lái)臨之時(shí)，我們將得到更加豐富多彩的，接近真實(shí)的技術(shù)體驗(yàn)，讓我們拭目以待吧!