完美DX10!ATI新王者HD2900XT权威评测

● 第二章 统一渲染架构详细解析

    R600在架构上最大的特点就是它采用了第二代统一渲染架构（Superscalar Unified Shader Architecture ）。这种架构院源自于Xbox360使用的Xenos图形核心。本章节将为您介绍一下统一渲染架构的特点。

第一节：3D图形创建原理

    在为大家介绍R600的统一渲染架构之前，为了让更多的朋友能对统一渲染架构的革命性创新有更深入的了解，我们先介绍下图形管线，来看看传统的显卡管线工作原理，3D画面是如何最终展现在屏幕上的。

    3D程序从载入到展现在屏幕上，在传统图形管线中是经过下列四个步骤的：

● 第一步：应用程序载入/ 场景构建
    
    其中包含了场景/几何数据库遍历、对象的运动，观察相机的运动和瞄准，对象模型的动画运动，3D 世界内容的描述，对象的可见性检查，包括可能的遮挡剔除、细节层次的选择 (LOD)等处理。

    简而言之，这一步主要是决定在游戏中有哪些对象， 它们的模型、使用的纹理，可能在什么动画帧，以及它们在游戏世界里的位置。 也决定照相机的位置和方向。

● 第二步：几何处理

    几何处理过程也就是传统意义上的坐标转换和光源（Transforms&Lighting ）
。其中包含几何模型的变换 (旋转，平移， 缩放)，从模型空间到世界空间的变(Direct3D)，从世界空间到观察空间变换，观察投影，细节接受/ 拒绝 剔除，背面剔除 (也可以在后面的屏幕空间中做)，光照，透视分割 - 变换到裁剪空间，裁剪，变换到屏幕空间等几个步骤

3d 骨架模型

    在第二步中，计算机处理的内容是几何模型，不包括贴图和其他素材，因为只有骨架确定了位置和形状，往上面贴图才是有意义的。我们所说的“骨架”，也就是几何模型，在电脑里存储的信息就是确定这个几何模型的顶点的数据。因为我们知道，两个点能够确定一条线，三个点能够确定一个面，也就是一个三角形，而多个三角形可以组成一个多边形，多个多边形就确定了一个几何模型。

三角形蒙皮

    而且，3D画面中的任何一个顶点都有一个坐标，当此物体运动时，它包含的顶点坐标发生变化，这指的就是几何模型的变换。这个步骤里每个模型的每一时刻的顶点位置都要被重新确定。

    然后进行的是观察投影（坐标转换），每一个时刻的3D几何模型将会由3D状态转变为2D状态，具体的方法就是将3D几何模型的每一个顶点的三维坐标通过投影的方法转换为二维坐标。这个过程中，做转换用的平面是根据玩家看游戏的方向和视角决定的。这个过程中电脑并不会进行贴图的操作。甚至每个顶点之前也仍然都是独立没有关系的。

投影

    这个步骤中包含了隐面消除技术（HSR），现实处理时还常加上背面剔除来提高效率。现实生活中，当你观察A物体的时候，如果物体B在你和A物体之间，那么你的视线就被物体B所遮挡。在3D技术发展的初期，整个3D场景所包含的顶点都被进行坐标变换并进行处理，这样一来，很多最终不会被显示在屏幕上面的模型也会被处理。所以研究人员发明了Z缓冲器算法来提前进行Z轴判断，也就是判断每个顶点的前后关系，从而决定究竟哪些顶点会被显示。Z缓冲器其实就是另一种帧缓冲器, 不同的是帧缓冲器存的是画面上每个像素的光亮度, 而Z缓冲器存的是画面上每个像素内可见表面采样点的深度。后来还有扫描线Z缓冲器算法，用于消除早期Z缓冲器算法内存消耗严重的缺点。

 

隐面消除

    3D游戏中除了场景与物体还需要灯光，没有灯光就没有3D物体的表现，无论是实时3D游戏还是3D影像渲染，加上光照的3D渲染会引入大量的数学计算。在硬件T&L问世之前，位置转换和光照都需要CPU来计算。ATI从REDEON 256开始支持硬件T&L功能，从而把CPU从繁重的数学计算中解脱出来。后来，在硬件T&L但元为顶点着色单元所取代，这次REDEON X2900XTX的发布，带来的又是一场全新的革命，统一渲染架构下的64个5D Unifide Shader运算单元理论上都可以用作顶点的运算。

● 第三步：三角形生成
　　
    这个过程就是将已经转换为二维坐标的点根据他们之间的关系，构建成为三角形，也就是上一步骤中产生的骨架模型被附着一套三角形网格，这一过程也就是所谓的蒙皮，为下一步的贴图做准备。蒙皮过程需要进行计算普通或是相切的向量，并且需要骨架的节点被转化，因此他们与基础形态的关节是相关的，基础形态的关节会被转化后用于生成动态的网格。

 一个简单的人物模型有5000多个多边形

 一个复杂的人物模型会有多达两百万个多边形

    构建三角形的这个过程常常称之为Setup，不论在GeForce 256发布前后，这个部分都是显卡的性能衡量的重要指标，也就是“三角形生成能力”。

● 第四步：渲染/光栅化

    首先是处理原始的贴图或者材质素材，简单的而言就是根据需要把贴图处理一下，大多数情况是把贴图斜向做透视，说的明白一些就是把图片变变形状。这个过程中，我们常常提到的材质过滤（Texture Filtering，包括二线型过滤，三线性过滤，各项异性过滤）就是在这里做处理的。特别是各向异形过滤在做高等级处理的时候，消耗资源也相当的大。
　　
    应用程序经常需要把纹理贴到几何体上并使texel直接映射到屏幕上的像素。例如，以一个需要在纹理中显示文本的应用程序为例，为了使纹理中的文本能清晰地显示，应用程序需要以某种方式确保映射到几何体上的texel不受纹理过滤的影响。如果无法保证这一点，那么得到的图像通常会是模糊的，如果纹理过滤方法为最近点取样，那么可能会产生粗糙边缘。为了统一像素和纹理取样，并同时支持图像和纹理过滤， Direct3D的像素和纹理取样规则经过了精心定义，但这也使得把纹理中的texel直接映射到屏幕上的像素成为一个相当有意义却又艰难的挑战。

材质过滤

    当然，这个过程随着可编程像素单元问世后变得更加复杂，实时的阴影、光照计算，甚至根据法线贴图做虚拟的3D贴图技术，都是Pixel Shader处理的内容，所以Pixel Shader从问世后就成文显卡中对性能影响最大的一个部分。上一代的R580显示芯片提供了多达48个4D Pixel Shader单元，不过在R600中，弹性的统一渲染架构让可进行Pixel Shader处理的单元最大增加到理论上的64个5D Unifide Shader单元。

    第二，对三角形进行像素的填充，将处理好的每一个象素填充到三角形中，在具体的执行操作的时候其实几乎是和Pixel Shader对像素的计算同步运行的。处理一些像素，就填充一些，然后再运行Pixel Shader处理一些象素。

    这个过程处理的数据也比较多，如果FPS确定、分辨率一定，数据量也就固定了。当然如果括反锯齿的处理，那么需要的像素数据量也会倍增。这部分在当年3D加速芯片问世的时候也是显卡性能的另一个最重要的指标，直接决定了游戏的显示速度。这也是我们常说的“像素填充率”指标。

像素填充的测试

    在“隐面消除技术”出现之前，这个步骤还要进行根据Z轴信息做Z轴判断，看哪个象素在前面才画出来，哪个象素在后面就不画出来。不过这种低效率的做法早已经被淘汰了。

Alpha混合处理前后的对比

    最后，是光栅处理以及帧缓冲和输出，这个步骤起的作用是将已经着色的象素进行透明度（Alpha）混合等处理，这个过程就相当于最终决定显示什么图像的最后的操作，所以也非常的重要。在这个部分，显示芯片也需要投入大量的运算，所以显示芯片也使用了多个ROP单元同时运行的设计。

    经过ROP处理后的数据就是即将显示到显示器上的画面了，显示卡会将这些数据存入一个帧缓冲后再进行输出，由于帧缓冲的速度非常快，所以我们是感受不到的。

    到这里，整个显卡管线的处理过程就算是完成了，接下来就是通过RAMDAC转换为模拟信号，通过D-Sub接口输出到显示器上。或者通过TMDS的运算转换为TMDS信号，通过DVI输出到LCD上。