细分曲面技术带来的变革

细分曲面技术带来的变革

    在游戏画面的生成过程中，我们一般看到的是3D画面的贴图，但是隐藏在贴图里面的还有3D画面的骨架——几何构图。3D画面的形成首先要构建几何构图，然后再进行渲染。几何构图越复杂，最终形成的物体表面就越接近现实。可以认为Tessellation细分曲面是DirectX 11为我们带来的最重要的革新。

曲面细分示意图，曲面越复杂越接近真实

    DirectX 11提供的Tessellator单元本身不具备可编程性，因此DirectX11向Tessellator单元输入或者从中输出的过程是通过两个传统的管线阶段完成的：Hull Shader （HS，外壳着色器）和Domain Shader （DS，域着色器）。

    Hull Shader负责接收琐碎的图形数据和资料，而control points将会基于如何配置Tessellator来产生数据。可以说，Tessellator就是一个固定功能模块，用来处理一些基于一定参数的输入数据。最后Domain Shader将会接收由Tessellator产生出的点，并依照终点控制（control points）置换贴图将这些点形成一个合适的几何图形。

    实际上R6xx和R7xx硬件都具有Tessellation单元，但是由于Tessellation属于专有实现方案，是AMD的独有技术，因此应用并不算很广泛。而在AMD 的推动下，此次Tessellation成为了DirectX 11中的一个必备的部分，AMD长期不懈的坚持终于得到回报。

    在此之前，人们对低代价多边形操作法已经探索了近10年，从最开始的对三角形的fan操纵，到后来的龟裂和冲撞检查，这些方法可以实现曲面细分效果，但是对资源的消耗量太大不可控制。这次微软在DirectX 11中加入硬件Tessellation单元，我们可以视作曲面细分技术历经长时间的磨练后修成正果。虽然它不太符合通用处理单元的设计方向，但是如果计算晶体管的投入与性能回报，独立的硬件Tessellation单元是目前最好的选择。

    ATI一直强调的Tessellation是创造更多纹理细节、阴影以及平滑边缘的几何图形的最佳途径之一。而且，高级几何图形同时也需要真正的、完美的位移贴图。当前，大部分几何图形都是通过纹理渲染和某些诸如凹凸贴图、视差贴图之类的技术模拟实现的。开发者们采用Tessellation技术的话，我们可以看到非常逼真的物体效果，而且随着DX11的普及，NVIDIA以及AMD最终将会从Tessellation技术中获益。

    GF100拥有更多的PolyMorph（多形体引擎），是以SM（流处理器）为单位分配的，拥有多达16组。多形体引擎则要负责顶点拾取(Vertex Fetch)、细分曲面(Tessellation)、视口转换（Viewport Transform）、属性设定（Attribute Setup）、流输出（Stream Output）等五个方面的处理工作。

Tessellation效果性能对比

    DirectX 11中最大的变化之一细分曲面单元（Tessellator）就在这里，因此GF100的理论Tessellation性能将会远超HD 5870（核心代号Cypress），因为Cypress只有一个Tessellator单元。这些硬件上的设计，让GF100在进行Tessellation操作时，性能下降很少。

    总体来看，Fermi的多形体引擎相对于以前绝非几何单元改头换面、增强速度而已，它融合了之前的固定功能硬件单元，使之成为一个有机整体。虽然每一个多形体引擎都是简单的顺序设计，但16个作为一体就能像CPU那样进行乱序执行（OoO）了，也就是趋向于并行处理。NVIDIA还特地为这些多形体引擎设置了一个专用通信通道，让它们在任务处理中维持整体性。

    当然这种变化复杂得要命，也消耗了NVIDIA工程师无数的精力、资源和时间。有一种传言说，多形体引擎是GF100核心变化的重要组成部分，也是GF100无法在去年及时发布的最主要原因。这么做也是不得已而为之。考虑到细分曲面单元的几何复杂性，固定功能流水线已经不适用，整个流水线都需要重新平衡。通过多形体引擎的并行设计，几何硬件不再受任何固定单元流水线的局限，可以根据芯片尺寸弹性伸缩。