完美DX10!ATI新王者HD2900XT权威评测

● 第三章 第四节 Shader Model 4.0

    当Shader Model 3.0的光彩尚未退去的时候，在DirectX 10中，又引入了Shader Model 4.0。它包含下面几项革新：

1 加入了一种新的Shader——Geometry shader

    通过它可以编程操纵几何图元；为vertex、geometry、pixel shader采用了统一的Sahder架构。Geometry shaders是可编程图形流水线的一大进步。它第一次允许由GPU来动态的生成和销毁几何图元数据。通过和新的数据流输出功能配合使用，许多以前无法实时使用的算法现在都可以在GPU中使用了。在下一节，将仔细讨论Geometry shaders。

2 统一的Shader架构

    在DirectX 9中，Pixel shader总是在各个方面落后于vertex shaders，包括常量寄存器个数、可用的指令个数、shader长度等。程序员需要区分对待这两种shader。

    而在shader model 4中，这vertex、geometry和pixel shader有着统一的指令集、同样的临时/常量寄存器个数。它们将平等的共享GPU中的所有可用资源。在游戏程序中不用再考虑每种shader自身的限制了。

3 百倍于DirectX 9的可用资源

    对于shader中可用的资源，在Shader model 4.0中比原来有了惊人的扩充。就像早期的程序员们绞尽脑汁的省着用可怜的640k内存一样，在使用以前的DirectX开发游戏的过程中，程序员需要小心翼翼的分配珍贵的shader寄存器资源。寄存器的数量，直接影响着shader程序的复杂度。这和在640k内存的机器上，怎么也不可能写出Microsoft Office这样的大规模软件是同一个道理。而在DirectX 10中，将临时寄存器由原来的32个扩充到了4096个，将常量寄存器由原来的256个扩充到了65536个！而这些并不仅仅是DirectX给出的理论值——在Geforce 8800架构中，它们都是实实在在的在显卡上面的！

4 更多的纹理

    在Shader Model 4.0中提供了对纹理阵列(Texture arrays)的支持。在前文中已经对纹理阵列有了比较详细的介绍，在这里只着重介绍一下与shader相关的部分。在每个纹理阵列中，最多可以保存512张同样大小的纹理。而且每张贴图的分辨率被扩展到了8192×8192。更大的分辨率意味着纹理中更丰富的细节。在一个shader中能够同时访问的纹理个数被增加到了128个，也就是说在每次执行同一个shader时，可以使用一个纹理阵列的512个纹理中的128个。所以说，在DirectX 10中，纹理的多样性和细节程度将会有大幅的提升。

  使用纹理阵列实现细致的纹理

5 更多的渲染目标（Render Target）

    所谓渲染目标，就是指GPU可以把画面绘制到的目标，我们可以把它理解为GPU的画布。一般来说，渲染目标被输出到屏幕上，这样我们就能看到画好的画面了；但是有时为了实现一些特效，某些渲染结果并不直接画到屏幕上，而是再返给GPU做进一步的特效处理；而且渲染目标中也不一定是画好的画面的颜色信息。

    根据特效的需要，它们可能是每个物体距离屏幕的远近，或者物体表面上每个像素的方向，或者每个物体表面的温度（为了实现《分裂细胞》中那种热能感应器的效果）…总之为了实现特效，可以按需要在其中绘制任何信息。为了提高这种情况下的效率，很多新的显卡都支持在同一遍Shader执行结束后，同时把不同的信息绘制到不同的渲染目标中。在DirectX 9中就已经支持这种机制了，但是它约束最多同时向四个渲染目标绘制。而DirectX 10将这个数量提升了一倍。

6 新的HDR颜色格式

    要说这些年来在实时图形界炒得最热的概念，应该是HDR了。它通过采用浮点格式的颜色格式来为纹理、光照等计算提供极大的精度和颜色范围（以前的纹理一般都是采用整数型的颜色格式）。尽管最后显示到屏幕上还是每个颜色通道8位的整数格式，但是以前由于在材质、光照计算中纹理也是用每通道8位的格式来参与计算，所以在显示到画面之前，很多细节就在低精度的运算中丢失了。

    而采用每颜色通道16位浮点数的纹理，能够保证在运算过程中几乎没有颜色细节信息的丢失。另外，采用16位浮点格式的颜色通道，可以表现更大的颜色范围。这些就是HDR的优越性。对于玩家来说，当游戏中的画面罩上一层HDR效果后，立刻显得和真正的照片一样，有朦胧的光晕、细致的高光和十分自然的色调。在玩《优品飞车9》时，充满风格的色调让人有一种置身于电影里的感觉。

 HDR（高动态范围）渲染。图片来源：Futuremark

    然而，采用每个颜色通道16位浮点数的格式，比采用每通道8位的整数格式的纹理要多占据一倍的显存；这给绘制的效率带来了负面的影响。所以在DirectX 10中引入了两个新的HDR格式。第一种是R11G11B10，表示红色和绿色通道用11位浮点数，而蓝色通道采用10位浮点数表示。那么，为什么不都用11位呢？这是为了凑32这个整数。学过计算机的人都知道，当内存中一个数据单元的宽度是32位时，对它的操作效率最高；而且在纹理数据中一般要求每个像素的数据宽度是2的倍数，如2,8,16,32,64等等。又因为人眼对蓝色的敏感度不如对红色和绿色，所以它比其他两个通道少用了一位。

    另外一种格式是采用每通道9位尾数、所有通道共享5位指数的形式（众所周知，在计算机中，浮点数是采用尾数附加指数的形式来表示的），加起来还是32位。这些新的格式使得纹理能够与原来占用同样多的显存空间，避免了大的空间和带宽消耗。同时，为了适合需要精确的科学计算的场合，DirectX 10和Geforce 8800 GTX完全支持每通道32位（4个通道加起来128位）精度的浮点数纹理。

总结

    上面提到的这些扩充和提高，对于图形程序员来说是一件非常爽的事。他们可以摆脱束缚，创建出包含前所未有的细节度的实时游戏场景；对于玩家来说也是一件非常爽的事，因为他们的眼球有得养了。