FSR圖形加速從這里說開去

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從FSR開始

2021年6月22日，AMD正式解禁了FSR技術，這個于6月初在COMPUTEX上發(fā)布的新技術能夠讓顯卡游戲性能大幅提升，4K分辨率下最多提升200%。AMD表示，F(xiàn)SR是一項開源的跨平臺技術，旨在提高游戲幀率的同時，保證高品質、高分辨率的游戲體驗。FSR技術內置四檔模式——Ultra Quality模式、Quality模式、Balanced模式以及Performance模式，玩家可以根據(jù)自身需求來調整圖像質量和性能之間的平衡。

FSR技術對新顯卡還是老顯卡都很友好——不僅針對AMDRadeon RX 5000和Radeon RX 6000系列顯卡（包括移動版）進行了特別優(yōu)化，同時還可支持AMD Radeon RX 500系列顯卡、Radeon RX 480/470/460顯卡、Radeon RX Vega系列顯卡、所有配備了Radeon顯卡的AMD銳龍?zhí)幚砥?。更令人感到意外的是FSR技術開源，支持NVIDIA顯卡（部分）！這可比NVIDIA的DLSS技術聽起來“便宜多了”——畢竟DLSS技術是NVIDIA顯卡專屬的產物。

目前已經(jīng)有超過40個游戲廠商（或游戲引擎）確定支持FSR技術用以提升游戲運行幀率，而且后續(xù)將源源不斷提升游戲支持數(shù)量。包括后續(xù)的諸多游戲大作，都將提供對FSR技術的支持。

聽起來是不是神乎其技？在這個顯卡洛陽紙貴，如此緊俏的時機，F(xiàn)SR技術仿佛成了一道曙光，讓玩家可以用比較便宜甚至老舊的顯卡，實現(xiàn)暢玩大作的夢想。不過，你知道它是如何實現(xiàn)的、游戲又為什么會如此“費”顯卡嗎？這一切，我們不妨從3D圖形是如何生成的說開去……

3D為什么如此“吃”顯卡資源？

早年的“3D”，實際上不過是CPU運算而來，比如《半條命》和《雷神之錘 2》在內的很多游戲，內部包含一個軟件渲染器，讓它沒有3D顯卡也可以正常運行。而今的3D圖形則需要顯卡本身進行大部分的運算，游戲中根本沒有軟件渲染器這個設計了。

3D圖形怎么產生的？

那么，3D圖形究竟是如何呈現(xiàn)在我們眼前的呢？準確地說，這應該被稱之為“3D實時渲染”。3D是相對而言的，1D其實就是指定位在一個線條中的位置，需要一個定位軸X軸，如A到B點為500個像素，這個線條就可以稱之為1D;相對的2D就復雜多了，它是一個平面，需要X、Y兩個軸的坐標來實現(xiàn)，這樣的“面”稱之為2D;接下來自然就是3D了，3D在2D的基礎上多了一個維度，從定位軸上看，除了X、Y軸之外多了一個Z軸，用于表明它的維度。3D實時渲染，其實就是即時對X、Y、Z軸標明的數(shù)據(jù)進行圖形化渲染，把坐標點、坐標點之上的信息計算出來。

1990年代初的時候，3D圖形的渲染還處于“靜止”狀態(tài)——簡單說就是需要一幀一幀地進行渲染“繪畫”圖形，然后將每一幀其“連接”起來形成動態(tài)畫面，這樣做出來的內容，最多就是應用到電影、動畫上，根本不可能運用到需要實時動態(tài)展示的游戲中來。

那么3D畫面的即時渲染都需要做什么呢？這要從兩個方面說。先是3D圖形的制作，我們看到的3D圖形畫面，實際上都是一個框架的點（X、Y、Z軸）+無數(shù)線條勾勒而成，早期的3D游戲幾乎都是“大方塊”就很好地表明了這點。比如著名的3D游戲《VR戰(zhàn)士2》、《極品飛車2特別版》這兩個“真3D”游戲，以今天的眼光看不過是一堆大方塊而已。

那么如何計算這些點、面、線呢？以往這些主要節(jié)點的運算功能，都是依靠CPU來進行的，那時候的3D顯卡，準確說法應被稱為“3D加速卡”，游戲只是把繁雜但是“海量”的重復工作交付給3D加速卡，重要工作還是由CPU計算。當然，這對CPU本身也是有要求的，199 0年代中期開始的IntelPentium MMX、AMD K6-2這些具有多媒體指令集的CPU才能更高效地完成這些工作。

它們的協(xié)同流程基本是這樣的：運行游戲后，游戲的軟件渲染API 對CPU發(fā)出工作“要求”：給我計算這個人物的X、Y、Z軸，因為是實時渲染，CPU就必須不斷進行演算。計算完畢，把這些“半成品”交給顯卡，包括貼圖的信息（比如哪里要貼什么樣的圖，顏色又是什么）等等。這些內容會依據(jù)API接口來對接到顯卡上，比如3 D F X 顯卡的Glide API，（那個時代還沒有DirectX API和OpenGL API），由3D加速卡進行輔助運算，最終輸出到顯示器上，呈現(xiàn)給我們一個完整的動態(tài)3D畫面。

且不說因為性能、技術水平的落差，光是這樣的計算方式，CPU的工作極為繁重不說，3D加速卡所能應對的事情也極為有限，游戲3D即時渲染的畫面也不可能太過“精良”。于是人們就開始想辦法：我們能不能讓顯卡負責絕大部分的3D畫面即時渲染工作呢？

于是GPU（Graphics ProcessingU n i t）誕生了—— 帶有硬件T & L 單元的NVIDIA GeForce 256就是典型代表。不同于軟件渲染器，帶有硬件T&L單元的GPU不執(zhí)行具體指令但是可以進行大批量重復、枯燥的運算，而CPU每次執(zhí)行指令要重新編程，適合靈活運算。

此后，CPU不再進行渲染只負責“調度”，而顯卡則負責具體工作，就像流水線作業(yè)一樣，效率變得高了許多。隨后不久，微軟就發(fā)布了應用在Windows系列系統(tǒng)的開放API——Direct 3D（Direct X的子集前身） 、Khronos發(fā)布了可以運行于Windows、Unix、Linux（包括基于此的Ubuntu、Macintosh、iOS、Android）在內任何系統(tǒng)的開源API——Open GL。這些API都用自家的規(guī)則算法，將靜態(tài)渲染效果以更高效呈現(xiàn)在3D即時渲染中。

其具體流程是用戶啟動應用程序（軟件），程序命令CPU從系統(tǒng)調用系統(tǒng)內置的某些通用運行庫、運行游戲所需資源并將這些加載到內存、顯存，隨后呈現(xiàn)游戲的圖形用戶界面（GUI）。當加載達到一定完成度，CPU開始指揮GPU，按照API預先設定好的處理方式進行預渲染，渲染完成度達到100%即可進入游戲的實際渲染畫面。

遠遠沒有這么簡單……

3D圖形的實時渲染聽起來流程很簡單，實際上對系統(tǒng)硬件的性能消耗十分恐怖。即便是諸如《VR戰(zhàn)士2》、《極品飛車2特別版》這類3D“初期”產物，它們的多邊形也是數(shù)以萬計為單位，時至今日，每一幀畫面包含的多邊形高達數(shù)百萬個之多！注意，這還是每一幀而已哦！

正如筆者所言，當3D實時渲染的需求與日俱增之時，硬件也在不斷進步。前文所述的“帶有硬件T& L單元的NVIDIAGeForce 256”就是一個標志性產物。所謂的T&L單元，全稱是Transform & lighting，是指坐標轉換和光源。T&L引擎主要是用來進行復雜的坐標處理以及光源映像的運算，讓使用者更能感受到物體真實的光影顯現(xiàn)。過去，在沒有T&L引擎的平臺上，大部分坐標處理的工作及光影特效都是由CPU執(zhí)行，但因占用太多的CPU計算的時間，而造成整體畫面的不流暢。因此一旦使用T&L引擎，將可以大大的減輕CPU處理3D時的負荷，并且使CPU能夠有更多的資源來處理更炫的3D特效，提供更好的視覺效果，所以此時繪圖芯片在3D圖形計算能力上已經(jīng)凌駕于CPU之上了。

然而這還不夠，隨著性能需求的大幅度提升，T&L單元設計也不足以應對了。這是因為圖形處理生成多邊形的過程中需要加上許多附加運算任務，比如頂點上的紋理信息、散光和映射光源下的顏色表現(xiàn)等等，有了這些就可以實現(xiàn)更多的圖形效果，也就是可以讓人看起來更為真實的畫面。為了解決這個問題，2001年微軟發(fā)布的DirectX8提出了Shader Model（渲染單元模式），Shader也由此誕生。本質上Shader是一段能夠針對3D圖像進行操作并被GPU所執(zhí)行的圖形渲染指令集。通過這些指令集，開發(fā)人員就能獲得大部分想要的3D圖形效果。在一個3D場景中，一般包含多個Shader，這些Shader中有的負責對3D對象頂點進行處理，有的負責對3D對象的像素進行處理。所以最早版本的Shader Model 1.0中，根據(jù)操作對象的不同分別Vertex Shader（頂點著色器/頂點單元，VS）和Pixel Shader（像素著色器/像素單元，PS）。

相比T&L實現(xiàn)的固定的坐標和光影轉換，VS和PS擁有更大的靈活性，使得GPU在硬件上實現(xiàn)了頂點和像素的可編程（雖然當時的可編程特性與現(xiàn)在相比不值一提），反映在圖形特效上就是出現(xiàn)了動態(tài)的光影效果，游戲玩家們第一次見到了更加逼真的水面特效。

不過，這種設計也是有缺陷的——頂點渲染和像素渲染各自獨立進行，而且一旦當架構確定下來，VS和PS的比例就會固定，這是無論如何也無法更改的。這會造成一個問題，許多3D渲染場景中，遇到高負載幾何計算需求的時候，VS處理壓力大增，而PS單元工作較少被“閑置”;反之，遇到高負載像素計算需求的時候，PS處理壓力增大，而VS又處于閑置狀態(tài)。

于是，微軟在DirectX 10中提出了統(tǒng)一渲染構架的概念。統(tǒng)一渲染架構（Unified Shader）是相對于分離式渲染架構而言的，其頂點著色器和像素著色器被合二為一，成為流處理器，避免了傳統(tǒng)GPU架構中PS和VS資源分配不合理的現(xiàn)象，也使得GPU的利用率更高。統(tǒng)一渲染架構的概念一直沿用至今，一般來說統(tǒng)一渲染架構的數(shù)量越多，GPU的3D實時渲染執(zhí)行能力就越強，所以統(tǒng)一渲染架構的數(shù)量也就成了判斷顯卡性能的一個重要標準。

不只是圖形

當然，顯卡要渲染的3D畫面絕對不是只有3D圖形本身，我們自然是希望看到的“越來越真實”，這就需要顯卡對很多物體、材質進行渲染，運算越多細節(jié)還原就越真實，當然，硬件性能消耗也就越大。比如單單是貼圖材質這件事，其所需要的資源就十分恐怖。

現(xiàn)實世界存在大量細節(jié)紋理，我們都需要在游戲中模擬還原，細節(jié)貼圖可以依附在任何貼圖上以增強游戲材質的質感。比如說一件衣服，如果只是單純的衣服外形肯定會覺得畫面好假，但是如果我們把衣服的細節(jié)都展示出來，包括編織的紋理，無疑效果就更加真實了。

再比如各種光影效果，如果沒有模擬光影效果，如金屬的反光、水面的倒影、布料對于光影的反射等等。尤其是近年來“光影追蹤”技術的推出，更是讓3D實時渲染畫面看起來更為真實——光源不僅僅是單一反射，它的漫反射也至關重要，畢竟現(xiàn)實世界中光的反射十分復雜，這也迫使硬件產品不斷推陳出新。使用了光影追蹤技術的游戲光源反射會更為真實，不再是單一的折射，但是它帶來的系統(tǒng)性能消耗也是前所未有的，即便是當今的頂級顯卡，也不敢妄言可以滿幀率4K全特效運行。

FSR、DLSS因何而生？從DSR、VSR開始……

我們一直在說，3D實時渲染出來的畫面是三維的多邊形的組合，既然是多邊形，它就必然會存在邊緣——這個邊緣無論多么細致，你總能發(fā)現(xiàn)那些鋒利的邊角，尤其是在較低分辨率的設置時更為明顯。于是，為了“消除”這些鋒利的邊角，讓圖形看起來更為精美，抗鋸齒技術誕生了。

經(jīng)歷了不同時代的抗鋸齒技術，2014年前后，NVIDIA和AMD分別推出了各自的抗鋸齒新技術DSR、VSR。雖然NVIDIA的DSR（Dynamic Super Resolution，動態(tài)超級分辨率）與AMD的VSR（VirtualSuper Resolution，超級視覺分辨率）的名字不一樣，但都是在分辨率上做文章，原理也都差不多。DSR和VSR的實現(xiàn)方式都是在開啟之后，利用驅動“騙過”系統(tǒng)和游戲，讓它們認為你得屏幕可以輸出4K分辨率，在選擇4K分辨率之后，游戲就會以4K分辨率模式工作，GPU內部以4K分辨率對圖像進行渲染，最后再以動態(tài)縮放的方式將圖像縮放到1080P分辨率上輸出到顯示器進行顯示。由于是以4K方式渲染再縮放的，渲染精度得到了提升，縮放后也能帶來更加精細的效果。

不過，這兩項技術實際上算是一種“超采樣”的方式，也就是說它實際的渲染運算量遠遠高于實際應用的分辨率，對系統(tǒng)性能的需求非常大。

顯而易見，這兩項技術的存在還是著重于提升畫面質量為主，總結起來，顯卡的負擔“越發(fā)沉重”，游戲顯卡似乎只有高端產品才能滿足真正的使用需求，盡管我們有些許的“技巧”去優(yōu)化幀率，但無論如何都趕不上游戲對系統(tǒng)新能需求的提升步伐，這就不是普通用戶依靠“優(yōu)化”可以改善的，只能在技術端有所改變才行。

FSR vs DLSS

在NVIDIA推出GeForce RTX顯卡的時候，除了大名鼎鼎的“光追技術”之外，還有一個技術備受關注——DLSS，DLSS全稱為 Deep Learning Super Sampling（深度學習超級采樣）。由 GeForce RTX GPU上的專用 AI 處理器Tensor Core提供支持，是一個經(jīng)過改進的全新深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡，能夠在提高幀數(shù)的同時生成精美、清晰的游戲圖像。

它的工作原理是利用NVIDIA神經(jīng)圖形框架NGX，在超級計算機中以極低的幀率和每像素64個樣本對數(shù)萬張高分辨率的精美圖像進行離線渲染，訓練出一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡。基于無數(shù)個小時的訓練所獲得的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡就可以將分辨率較低的圖像作為輸入，構建高分辨率的精美圖像。

簡單說，它需要首先對游戲畫面進行采樣，在NVIDIA的服務器上使用4K或者8K超高清分辨率處理，然后降回到游戲分辨率，結合玩家實際場景來提升畫質，同時運行幀率也十分可觀。而且，這個過程顯卡是具備自我學習能力的，也就是說可以更“精妙”的去處理渲染需求。注意，它的基本思路其實和DSR沒有太多區(qū)別，只是實現(xiàn)的方法有了變化。

不過，DLSS的開啟要求十分苛刻，首先是必須具備光追技術的顯卡，也就是GeForce RTX系列產品方可，其次游戲必須提供給NVIDIA實驗室中進行AI學習，常常還得開啟光追或超高分辨率這種高負載模式才會出現(xiàn)DLSS選項。

AMD的FSR技術就要“友善”多了，比如前文提及的不僅支持自家多代顯卡，還能夠支持NVIDIA的部分顯卡產品。詳細的FSR技術就不過多解釋，最直白的理解在于，AMD的FSR技術通過插值的方法，將采樣后的內容通過填補空白像素的方法插值渲染，這樣可以大幅度提升運行幀率的同時盡量保證畫面的細節(jié)還原（當然還是有明顯損失的）。

不過，AMD的FSR技術不同于NVIDIA的DLSS，后者可以通過AI技術進行深度自我學習、優(yōu)化，F(xiàn)SR不具備這個能力，所以它只能“另辟蹊徑”——依靠CPU的單指令流多數(shù)據(jù)流單元（SIMD單元）進行輔助計算，也就是說，在支持FSR技術的游戲中，開啟FSR技術獲得更高幀率的前提是：CPU性能要足夠好。

當然，鑒于現(xiàn)在顯卡價格的昂貴程度，把部分壓力釋放到CPU上是無疑另外一種選擇——從歷史的長河來看，CPU和GPU的搭配組合一直就是相輔相成的，追求更快、更好的游戲運行效果，CPU和GPU上的開銷總要有所付出。