微軟視覺(jué)系

微軟亞洲研究院網(wǎng)絡(luò)圖形組用計(jì)算機(jī)展現(xiàn)質(zhì)、色、光、影的極致，詮釋最直觀、震撼的科學(xué)之美。

在微軟自主研制的Xbox游戲機(jī)里打斗，你可以感受到栩栩如生的虛擬場(chǎng)景：鱗片經(jīng)過(guò)陽(yáng)光折射在劍龍粗糙的身體上泛著光，水波泛起層層漣漪如同置身湖邊，你甚至可以聆聽(tīng)頭朝下跳入水中時(shí)激起一圈圈水花，感受躲避敵人時(shí)草葉掃過(guò)臉頰的瞬間。

“我想凡是做圖形學(xué)研究的人，都有一種強(qiáng)烈的完美主義傾向，我們組的人都概莫能外。”微軟亞洲研究院網(wǎng)絡(luò)圖形組主任研究員童欣1999年加入微軟，在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)極致的視覺(jué)感受一直是他和同事追求的目標(biāo)。

微軟亞洲研究院網(wǎng)絡(luò)圖形組的研究領(lǐng)域主要集中在微軟的圖形系統(tǒng)和平臺(tái)以及DirectX和XDK游戲平臺(tái)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)圖形組來(lái)說(shuō)，把創(chuàng)新技術(shù)轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品只是第一步，接下來(lái)就像用彩線織布，網(wǎng)絡(luò)圖形組提供彩線，開(kāi)發(fā)者再用彩線織出各種樣式。

“在過(guò)去的十年里，驅(qū)動(dòng)整個(gè)圖形學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵就是GPU(圖形處理器)的發(fā)展，隨著游戲和影視圖像質(zhì)量越來(lái)越逼近，我們希望兩者最后能有一樣的生產(chǎn)流程?！盭box上的真實(shí)細(xì)膩的顯示，正是網(wǎng)絡(luò)圖形組利用前沿的圖形技術(shù)創(chuàng)造的一條“彩線”。伴隨著Windows 7的發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)圖形組的創(chuàng)新研究也將影響更多的人，童欣的夢(mèng)想也越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)。

windows 7里的中國(guó)智慧

微軟的新一代操作系統(tǒng)WindOWS7有一個(gè)鮮為人知的特性——自帶了DirectX 11，支持了名為DirectCompute的GPGPU(圖形處理器通用計(jì)算)編程接口。也就是說(shuō)，Windows 7成了第一個(gè)原生支持GPGPU的操作系統(tǒng)。有了對(duì)GPGPU的支持，Windows 7向眾多的開(kāi)發(fā)人員和用戶開(kāi)啟了使用GPU進(jìn)行并行計(jì)算的大門。

“過(guò)去的圖形芯片的廠商，會(huì)發(fā)布一些專有的API，或者一些專有的程序幫助用戶來(lái)做開(kāi)發(fā)。這樣問(wèn)題就出現(xiàn)了：用戶不僅需要對(duì)硬件有很好的了解，而且當(dāng)用戶要將應(yīng)用遷移到另一個(gè)GPU上是很困難的，意味著程序要重寫。”童欣對(duì)記者說(shuō)。在過(guò)去的幾年里，因?yàn)橛螒蚝陀脩魧?duì)娛樂(lè)需求的驅(qū)動(dòng)，GPU的能力越來(lái)越強(qiáng)。同時(shí)，開(kāi)始用GPU做一些通用的計(jì)算。而DirectX11在GPU上，提供了一套通用于不同GPU的編程語(yǔ)言。

“從最終的用戶來(lái)講，Windows 7提供了很多體驗(yàn)，從開(kāi)發(fā)者角度來(lái)講，全新平臺(tái)提供了很多新的可能性，去開(kāi)發(fā)更好的、更新的應(yīng)用。”童欣說(shuō)。

如何體現(xiàn)出GPGPU的強(qiáng)大威力，怎樣才能向其他開(kāi)發(fā)人員演示如何使用新的GPGPU接口?

為此，網(wǎng)絡(luò)圖形組開(kāi)發(fā)了兩項(xiàng)基于GPGPU(圖形處理器通用計(jì)算)核心技術(shù)：DTC(離散紋理壓縮)和ITess(并行幾何鑲嵌)。

創(chuàng)新之美

影響圖像效果有兩方面，一個(gè)是模型本身網(wǎng)格的精細(xì)程度，包括凹凸等立體的幾何細(xì)節(jié)，一個(gè)是色彩的變化(材質(zhì)、紋理的變化)。為了在這兩方面提升圖像效果，網(wǎng)絡(luò)圖形組可謂絞盡腦汁。

從早期的《玩具總動(dòng)員》到最新的《冰河世紀(jì)3》，大屏幕上那些圓潤(rùn)精細(xì)的模型都少不了細(xì)分算法的功勞。但是，這個(gè)算法在傳統(tǒng)上只能由CPU完成，因?yàn)樗婕暗皆S多不規(guī)則的操作，需要串行地一步步執(zhí)行。如果硬要用GPU來(lái)實(shí)現(xiàn)，就必須要涉及到大量的外部IO，降低了細(xì)分的效率，同時(shí)細(xì)分的程度也有限制。DirectCompute帶來(lái)的新功能使得開(kāi)發(fā)人員可以更靈活和高效地利用GPU，把那些不規(guī)則操作并行化，而不用任何多余的外部IO。這樣一來(lái)，GPU就可以并行地全速執(zhí)行細(xì)分。沒(méi)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)圖形組就誕生出了第一個(gè)原型演示，并給這個(gè)算法起了個(gè)名字：iTess，意思是無(wú)限細(xì)分算法(infinity tessellation)。它可以把輸入的粗糙模型進(jìn)行無(wú)限的自適應(yīng)細(xì)分，得到用戶需要的更為精細(xì)的模型。后來(lái)，這個(gè)演示順利地成為了DirectX 11 SDK的一個(gè)例子。

“可以想象，第一，我送給GPU的數(shù)據(jù)是很少的數(shù)據(jù)。第二，我在GPU上可以生成很多的數(shù)據(jù)，最后顯示的質(zhì)量可以達(dá)到很高。一方面CPU的計(jì)算減少了，另一方面?zhèn)鬏斠矞p少了。這對(duì)于游戲和三維形體顯示來(lái)講，這是非常有價(jià)值的事情?！?/p>

為了顯示圖片的良好效果，一方面要有一個(gè)比較精細(xì)的幾何模型。另一方面要有非常漂亮的顏色和紋理變化細(xì)節(jié)。這樣帶來(lái)的問(wèn)題就是存儲(chǔ)量很大，傳輸也很費(fèi)時(shí)間。于是要做一些壓縮。網(wǎng)絡(luò)圖形組很快提供了一種新的紋理壓縮算法，將DirectX 11的計(jì)算型渲染器用于紋理貼圖壓縮。新算法質(zhì)量更高，用戶可以快速地看到這個(gè)效果，計(jì)算也比以前快了幾百倍；對(duì)于效果而言，也是很大的提升。

“最大的難點(diǎn)在于我們把這個(gè)算法寫出來(lái)之后，我們要經(jīng)過(guò)很多的討論研究，怎么讓它中間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)性最小、生成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最小，這樣它可以最有效地生成最后的結(jié)果?！北M管并不容易，但對(duì)于微軟亞洲研究院的研究員們來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)就意味著突破。

挑戰(zhàn)光影極限

“PC上的GPU從無(wú)到有，大概用了兩三年的時(shí)間，就超越了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的圖形工作站能達(dá)到的圖形效果，甚至提供了更多的編程的特性。而微軟研究院集中了世界上最優(yōu)秀的一批圖形學(xué)的研究員，研發(fā)了一系列基于GPU的算法和軟件?！被叵肫鹞④浽趫D像學(xué)方向的一步步摸索和創(chuàng)新，童欣充滿感慨。

2003年，微軟亞洲研究院網(wǎng)絡(luò)圖形組的研究成果——凸凹的感覺(jué)樹(shù)干，登上了ACM Siggraph ComputerGraphics的封面。在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表論文，也就意味著代表了站在了圖形學(xué)的研究的前沿。這一技術(shù)隨后被應(yīng)用于之后發(fā)布的Vista系統(tǒng)。

“在DirectX 11和Windows 7上開(kāi)發(fā)這個(gè)平臺(tái)，只是第一步。下一步面臨的更重要問(wèn)題，就是如何充分使用這一平臺(tái)，研發(fā)一系列算法和工具，縮短開(kāi)發(fā)流程帶給用戶更真、更好的光影效果?”童欣說(shuō)，“而通用GPU的計(jì)算，除了一些圖形的應(yīng)用，我們更希望把GPU應(yīng)用到非圖形計(jì)算上。這就需要進(jìn)一步研究利用DirectX 11設(shè)計(jì)一些更好的API、開(kāi)發(fā)工具，讓原來(lái)熟悉CPU計(jì)算的開(kāi)發(fā)者快速地實(shí)現(xiàn)GPU的一些應(yīng)用，自由的探討這方面應(yīng)用的可能性。”

圖形學(xué)的一個(gè)目標(biāo)是帶給用戶真實(shí)世界一樣的視覺(jué)體驗(yàn)。目前HDTV(數(shù)字電視)的分辨率已經(jīng)能達(dá)到1920×1080，PC顯示器的分辨率甚至可以達(dá)到更高，這就意味著說(shuō)我們的游戲可以做到更高的分辨率。童欣希望有一天，人眼看到的精細(xì)程度和制成圖像的顯示精細(xì)程度是沒(méi)有差別的。

“分辨率、光影效果，我們都希望能達(dá)到與電影一樣的程度，同時(shí)帶給用戶交互的體驗(yàn)?！北M管還有很多的工作要做，童欣和同事們?nèi)栽凇捌珗?zhí)”地不斷挑戰(zhàn)質(zhì)、色、光、影的極致，詮釋最直觀、震撼的科學(xué)之美。