缔造视觉计算王国，NVIDIA Fermi深入解读与测试

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第二章 GF100图形架构解读

　　Fermi的图形渲染架构更注重它在游戏中的表现，即为游戏提供更快的速度、更好的画质，同时借助Fermi在CUDA计算方面的能力，在游戏中展现更加真实的几何效果。

　　GF100是NVIDIA新一代的GPU，同时也是基于Fermi架构的首款GPU，GF是Graphics Fermi的缩写，100是指民用高端显卡。它能支持全部DirectX 11硬件功能，如Tessellation和DirectCompute等，而实现电影级的几何真实效果是GF100的重心。

　　由于图形架构与CUDA计算架构在很多功能单元上是相同的，所以本章的少部分内容可能会和第一章有些重复，权当温故知新吧。

§2.1 几何真实效果（Geometric Realism）

　　在讨论GF100图形架构之前，我们先来看看游戏中角色或物体在几何真实效果上的表现。

　　物体与人物等游戏内容一般需要用Mudbox、ZBrush、3D Studio Max、Maya或SoftImage等建模软件来创建，这些软件包能够提供基于Displacement Mapping（贴图置换）表面的工具来辅助设计者创建出细腻的人物与环境。现在，设计师必须手动创建各种细腻程度的多边形模型，以满足游戏中各种渲染场景所需，达到保持可玩性帧速率的目的。这些模型就是带有相关纹理贴图的三角形网格，而这些纹理贴图则是正确着色所需要的。当游戏中运用到这些模型时，每一帧的模型信息都通过主接口（Host Interface）发送给GPU。由于PCI Express总线的带宽限制，游戏开发商倾向于使用相对简单的几何模型以及目前GPU最保守的几何学吞吐量。
　

FarCry 2游戏中的人物与物体

　　即使在当前的一些优秀游戏中，也会因为现有图形API和GPU的限制而存在几何学伪像。比如在《FarCry 2》游戏截图中就可以看到复杂几何图形的折衷表现。手枪皮套有太多的细小画面，皮带被分成多段，屋顶本应看起来有波纹感，实际上只是带有条纹纹理的平面。最后，正如游戏中的大多数人物一样，这个人戴着一顶帽子，“巧妙”避开了渲染头发所涉及的复杂度。

　　·Tessellation和Displacement Mapping概述

　　Tessellation（曲面细分）和Displacement Mapping（贴图置换）并不是什么新型渲染技术，如今，电影制作还一直在运用这两项技术。随着DirectX 11的推出，Tessellation作为其主要改进得到更广泛应用。

　　利用基于GPU的Tessellation，游戏开发人员能够发送物体或人物的紧凑型几何表现形式，Tessellator单元则为特定场景生成合适的几何学复杂度。现在来看看更加细腻的细节表现，研究一下Tessellation与Displacement Mapping结合使用的特点与优势。

Tessellation与Displacement Mapping结合使用

　　上面左边的图像使用了四边形网格来勾勒人物的大致轮廓，即使与一般的游戏内容相比，这种表现形式占用空间也是非常少的。中间这幅人物图像是对左侧图像进行了精细Tessellation（曲面细分）与描绘的结果，因此它拥有了非常光滑的外观，没有因几何形状的限制而“棱角突出”。不过这个人物虽然外表光滑，但是与粗糙的网格相比，细节部分并无改善。右侧的图像是对中间图像附上了一个Displacement Mapping的效果，整个人物顿时丰满起来了。

　　·Tessellation和Displacement Mapping相结合的优势

　　Displacement Mapping与Tessellation的结合使用具有许多优势：表现形式占用空间少、可扩展，能够实现高效存储与计算。紧凑型绘图形式意味着占用的显存较少，当将构成这些图像的顶点发送给GPU处理时所消耗的带宽较少，因此能表现出计算密集度更高、更复杂、更逼真的动作。当游戏人物出现在特定帧中时，这种按需分配的三角形合成法让其几何复杂度能够与针对特定人物情况所生成的三角形数量相匹配。

　　这种控制几何细节级别（level of detail，LOD）的能力非常强大。它是按需分配的，数据全部处于片上，所以维持了从前的显存带宽。而且一个模型可能会产生许多个细节级别，同一项游戏内容都能够应用在各种平台上，无论在性能平庸的笔记本还是在强大的四路SLI系统上均可使用，只是表现的细节有所差别而已。

　　此外，它具有可扩展性，开发人员能够在前后几代游戏中均使用相同的模型。在性能更强的未来GPU上，细节表现将比当初游戏问世时效果更好。复杂度能够实现动态调整，以适应特定的帧速率。最终，利用Displacement Mapping与Tessellation相结合的方式所渲染出来的模型与设计师所用工具中的原生模型很相似，从而让设计师不必创建不同几何细节级别的模型。

当一个贴图置换附加于一个平面上时，所造成的表面便呈现出编码中的高度

　　Displacement Mapping是一种非常强大的建模与渲染技术，它能够表现出高度信息的纹理。当附加到一个模型上时，Displacement Mapping可用来改变该模型顶点的相对位置，它让复杂的几何图形能够存储在一个紧凑的贴图当中。因此，Displacement Mapping可以被看作是一种几何信息的压缩形式。

　　与浮雕贴图、法线贴图以及视差贴图这些仅改变像素外观的贴图不同，Displacement Mapping能够改变顶点的位置。这样一来，就能在阴影的边缘实现自遮挡、精确的阴影以及更加生动的运动效果。

凭借贴图置换，弹痕能够用于改变游戏中物体的底层几何结构

　　Displacement Mapping最有趣的一点就是能够在游戏期间轻松修改它们。在当今的诸多游戏中，用枪对金属门扫射的动作只会留下弹孔的痕迹，但门的形状不会改变。凭借Displacement Mapping，可以用相同的弹孔纹理来更改Displacement Mapping，从而让玩家不仅能够将游戏中的物体的外观打得变形而且还能够将其底层结构打得变形。

　　为了追求游戏中的几何真实效果，GF100在图形架构上作了大量的优化设计，接下来就让我们一起看看到底在哪些方面作了优化。