见证3D进化之路 DirectX发展历史回顾

　　在DirectX诞生之初，业界已经有众多标准，其中有两个重要的标准：OpenGL和Glide，特别是前者，它被用于图形、影像服务器，制作电影、科教片等等，随着技术逐渐成熟，越来越普及，如当时大名鼎鼎的Quake 3游戏就是基于这个标准的。而当时的DirectX，很多硬件、主流游戏都不支持它，没有游戏、没有硬件，即使再有好的标准也是没有意义的，DirectX的魅力一直没有的到表现。但是它有微软的支持推广，它就有希望。 那么DirectX的发展，都经历了哪些版本呢？

DirectX是目前民用市场的主流API

　　DirectX 1.0：第一代的DirectX很不成功，推出时众多的硬件均不支持，当时基本都采用专业图形API－OpenGL，缺乏硬件的支持成了其流行的最大障碍。DirectX 1.0版本是第一个可以直接对硬件信息进行读取的程序，它提供了更为直接的读取图形硬件的性能（比如：显示卡上的块移动功能）以及基本的声音和输入设备功能（函数），使开发的游戏能实现对二维（2D）图像进行加速。这时候的DirectX不包括现在所有的3D功能，还处于一个初级阶段。

　　DirectX 2.0：DirectX 2.0在二维图形方面做了些改进，增加了一些动态效果，采用了Direct 3D的技术。这样DirectX 2.0与DirectX 1.0有了相当大的不同。在DirectX 2.0中，采用了“平滑模拟和RGB模拟”两种模拟方式对三维(3D)图像进行加速计算的。DirectX 2.0同时也采用了更加友好的用户设置程序并更正了应用程序接口的许多问题。从DirectX 2.0开始，整个DirectX的设计架构雏形就已基本完成。

Quake 2

　　DirectX 3.0：DirectX 3.0的推出是在1997年最后一个版本的Windows95发布后不久，此时3D游戏开始深入人心，DirectX也逐渐得到软硬件厂商的认可，97年时应用程序接口标准共有三个，分别是专业的OpenGL接口，微软的DirectX D接口和3dfx公司的Glide接口。而那时的3dfx公司是最为强大的显卡制造商，它的Glide接口自然也受到最广泛的应用，但随着3dfx公司被NVIDIA的收购、Voodoo显卡的衰败，Glide接口逐渐从人们眼中消失了。

古墓丽影 2

　　DirectX 5.0：令人奇怪的是，微软公司并没有如期推出DirectX 4.0，而是直接将DirectX版本升级到了5.0。此版本对Direct3D做出了很大的改动，加入了雾化效果、Alpha混合等3D特效，使3D游戏中的空间感和真实感得以增强，还加入了S3的纹理压缩技术。 同时，DirectX 5.0在其它各组件方面也有加强，在声卡、游戏控制器方面均做了改进，支持了更多的设备。因此，DirectX发展到DirectX 5.0才真正走向了成熟。此时的DirectX性能完全不逊色于其它3D API，而且大有后来居上之势。

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　　DirectX 6.0：DirectX 6.0推出时，其最大的竞争对手之一Glide走向了没落，而DirectX则得到了大多数厂商的认可和支持。DirectX 6.0中加入了双线性过滤、三线性过滤等优化3D图像质量的技术，游戏中的3D技术逐渐走入成熟阶段。这个时期具有代表性的产品是NVIDIA Riva TNT2系列。

　　DirectX 7.0：DirectX 7.0最大的特色就是支持T&L，该技术中文名称是“坐标转换和光源”。3D游戏中的任何一个物体都有一个坐标，当此物体运动时，它的坐标发生变化，这指的就是坐标转换。在T&L问世之前，位置转换和灯光都需要CPU来计算，CPU速度越快，游戏表现越流畅。使用了T&L功能后，这两种效果的计算用显示卡的GPU来计算，这样就可以把CPU从繁忙的劳动中解脱出来。换句话说，拥有T&L显示卡，使用DirectX 7.0，即使没有高速的CPU，同样能流畅的跑3D游戏。 这个时代的代表性产品是GeForce 2系列和GeForce4 MX系列。

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　　DirectX 8.0：DirectX 8.0的推出引发了一场显卡革命，它首次引入了像素渲染引擎(Vertex Shader)与顶点渲染引擎(Pixel Shader)的概念，反映在特效上就是动态光影效果。同硬件T&L仅仅实现的固定光影转换相比，VS和PS单元的灵活性更大，它使GPU真正成为了可编程的处理器。这意味着程序员可通过它们实现3D场景构建的难度大大降低。通过VS和PS的渲染，可以很容易的宁造出真实的水面动态波纹光影效果。此时DirectX的权威地位终于建成，代表产品：GeForce4 Ti系列。

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　　DirectX 9.0：2002年底，微软正式发布DirectX9.0，DirectX 9中PS单元的渲染精度已达到浮点精度，传统的硬件T&L单元也被取消。全新的VertexShader(顶点着色引擎)编程将比以前复杂得多，新的VertexShader标准增加了流程控制，更多的常量，每个程序的着色指令增加到了1024条。另外，DX9增加对浮点数据的处理功能，以前只能对整数进行处理，突破了以前限制PC图形图象质量在数学上的精度障碍，它的每条渲染流水线都升级为128位浮点颜色，让游戏程序设计师们更容易更轻松的创造出更漂亮的效果，让程序员编程更容易。

　　那么，即将从幕后走想台前的新一代DirectX 10又将给我们带来什么呢？

1、统一渲染架构

　　相对于其他方面的技术革新，微软在Shader Model 4.0中引入的统一着色架构才是DX10最大的看点。我们都知道，微软在DirectX 9中引入的了2.0/2.X/3.0三个版本的Vertex Shader（顶点着色引擎）以及Pixel Shader（像素着色引擎）。其中支持2.0版的着色引擎是DirectX 9的GPU的最低标准，而当前主流的显卡已经都硬件支持加入了拥有更多高级处理功能的3.0版本着色引擎。不过，即便是DirectX9.0c，对于功能相仿的Vertex Shader、Pixel Shader来说，目前图形芯片厂商仍需要在GPU中划分两个区域来存放Vertex Shader阵列和Pixel Shader贴图流水线。这无疑是一种资源冗余，而且这也加重GPU的设计难度及成本。当Direct X10把渲染流程更细分为Vertex Shader、Geometry Shader及Pixel Shader，这个情况将会更为明显。那么，有没有可能把这两者整合在一起呢？答案就是肯定的!

　　统一渲染架构是一项极具创新意义的作法。要知道，在很多时候如果我们处理的一个场景注意是以Pixel Shader计算为主，Vertex Shader计算仅占一小部分的时候，如果采用分离Shader设计的显示核心，就可能存在Vertex Shader计算单元空闲，但Pixel Shader单元过渡计算的现象。同样的也可能存在Pixel Shader数据比较少，但Vertex Shader计算数据过多的问题。这就往往造成了一方面着色单元闲置，另一方着色单元资源紧缺的情况。

统一渲染架构能更有效地利用显卡资源

　　比如在《上古卷轴4：湮没》中，7900GTX在1600×1200+HDR的环境下，FPS仅为14~50帧左右。这是因为独立渲染的草丛或者树叶是由庞大数量的多边形构成，对GPU的顶点渲染提出了严酷的要求，相对来说并不需要太多像素操作，如此一来大规模的像素渲染被闲置而顶点模块处于不堪重负状态。而统一渲染架构则可以帮我们解决硬件资源上的限制----你能够不受限制地使用纹理资源，并可以使用任意长度的着色指令，如果能够将闲置的像素单元用来处理顶点，那么游戏速度就不会如此可怜了!此外，统一渲染架构将令GPU的角色由单纯为Game Rendering提升至Game Computing的理念，Unified Shading引擎设计更适合异类运算工作(Heterogeneous Computing)，例如Physics运算、影像编码运算等，让显卡的应用范畴大幅提升。

2、虚拟显存技术

　　众所周知，在286/386时代，人们为了利用更多的内存，发明了虚拟寻址技术，今天，这项技术被用到显存身上，将如同当年般震撼，彻底地把显存的利用带到了全新的层次。以往，GPU采用直接内存调用法则，无论是纹理、顶点、多边形、光影，都需要占用显存空间，这些数据的运算量越大，占据的空间也越多。为了避免每次都需要重新计算，人们想到了MIP-MAP纹理映射的方法。当时，纹理贴图的尺寸很小、3D场景亦没有这么复杂，MIP-MAP能够显著地减少GPU计算量和显存的占用。然而，随着3D游戏复杂性的增加，仅靠显存已经无法存储这些数据，不得不开发出AGP总线，利用部分内存作为AGP显存，来暂时存储纹理和顶点数据、补充显存容量的不足。但别说以前的AGP 8X，即使是今天带宽更大的PCI Express X16，亦远远不能与显存带宽相比。更为严重的问题是，为了同步处理，GPU会降低显存的工作速度，使之与显卡显存顺利传输，所以一旦动用显存，系统速度会大为下降。从这方面看，在游戏中提升纹理调节的时候，必须注意自己的显存容量，比如你要玩FarCry、战地1942、等游戏，没有256MB显存，就别想把画质设置到最高，否则会大大地影响游戏速度。

　　因此，微软根据虚拟内存管理方法将在DirectX 10中引入虚拟显存技术。它可以很好的解决以上所提到的问题，所有的纹理、着色等都分成“小块”数据即使在低速总线上也能流畅传输。例如，一个4KB大小的页面相当于一个32×32×32bit大小的纹理贴图，这样大小的纹理贴图已经可以满足需要，这样在需要纹理渲染时系统就不需要传输太多"页面"就可以完成相应的工作，而做到这一切几乎不会损失性能。

G80的Video Memory执行示意图

　　而且将虚拟显存技术与着色引擎搭配也是一个很具创新性的想法。在显存中，着色器指令是被当作一个抽象的数据块进行处理的，系统并不理会“数据块”能否装得进GPU的指令流水线，一旦着色器被载入，它就会在每个顶点以及象素上操作、直至卸载。因此要想完成更长的着色器指令就需要增加GPU的指令执行管数或利用自动多路形式将指令划分成若干个可管理的小块。由于GPU的指令执行管数在设计之时就固定好，如果要增加执行管数无疑需要重新设计及增加晶体管数，显然第一种方法并不太实用。因此第二种方法较为实用，而这也与我们所提到的虚拟显存系统实际是一样的。为了适应着色器指令的执行应用，虚拟显存被划分为许多相对独立的页面。假定图形处理单元当中设置的指令执行管道可以执行整个页面所包含的指令，那么我们的着色器操作就可以建立起一套流水线式的运作机制，加载一个页面，然后运行，停止下来之后再加载一个新的页面，然后运行，如此反覆指导全部包含指令的页面被加载到处理器当中，此间，执行管道的作用与处理器的L1 Cache相当类似，而整个运作流程和处理器的可以说是一致的。

　　通过虚拟显存技术，着色指令的长度将可以不受指令执行管数的限制，存储系统可以存放的图象纹理可以更多，寻址的方式变得轻松简单，于是我们的DirectX10技术就实现了可用资源“不受限制”的强大功能。当然了，资源的“不受限制”还是受到硬件实际可用资源的限制。指令太长的话，GPU就需要多次加载指令页面，这样也会造成性能大幅度下降;如果纹理数据太多，需要用到系统内存、甚至是硬盘空间进行存储的话，那么整个图形子系统的性能也会下降。针对这个问题，微软为资源限制定了两个门限:只要不超过第一个限定，系统都能够工作;而超过第二个限定时，系统就不能够正常工作(在640×480分辨率下，fps值不足10)。其实，此前已经有厂商使用了虚拟显存技术，3Dlab的专业级显卡野猫WildCat VP就能调度16GB虚拟显存，16GB哦，在主流显存不过256MB的时代，这是多么震奋人心的事情。很明显当你能完全使用全部16GB时，相信系统瓶颈问题已经不在此了。

3、整数指令集
 
 　　除了统一渲染架构和虚拟显存，DX10还有不少改进之处，其中最重要的莫过于整数指令集。也许你会觉得奇怪，整数指令集不是所有计算的基础吗?对于CPU而言，这是没错的，但别忘记了，当然为何引入浮点处理器和多媒体指令集，原因是图形运算需要大量的浮点指令。浮点是不精确数据类型，当寻值数据与纹理数据不符合的时候，可以采用近似值和多个数据计算的内插值来代替，对图形最终画面没有影响，此类速度也比整数要快。因此，GPU的基础恰好与CPU相反，是以浮点指令为主的。目前，着色器所处理的所有东西都需要依靠浮点运算所完成(除了静态分支预测试运算之外)。
 
 　　在大多数的图像处理上来说，这种处理方式是没有问题的。但进行动态分支预测或非内插式内存搜索时(比如对顶点缓存器进行定位索引时)，这种浮点运算处理方式就存在很大的问题。而DX10中引入整数运算将有许多好处，比如进行动态/静态分支预测、顶点缓存定位、通用内存寻址方面，浮点是无法进行精确计算的。
 
 4、直接存取像素着色帧缓存
 
 　　现在的渲染模式，主要是实时渲染，每种渲染工作都是实时完成的，中间无法打断，如果我们想为图像增加数字分级、色彩校正或颜色调节等工作，只能重新进行一次计算，对整体工作造成了延时。事实上，当你读取渲染中图象的纹理数据，大多数的GPU和驱动程序都可以工作。但这属于非法操作(没有经过定义)，这样的操作随时可能被中断，而开发人员通常不会使用这项功能。
 
 　　DX9时代的解决方案有二，第一种是使用两个独立的纹理，一个纹理用于正常工作，另一个备用纹理应付那些附加的计算，此方案的最大问题是必须占用两倍显存空间;第二种是在Pixel Shader中通过模拟混合函数的实现以上功能。ATi已经在他们的GPU芯片中加入了类似的做法，他们通过顶点着色引擎来模拟原有的固定顶点处理函数。这样就意味着GPU设计厂商需要在着色引擎上增加额外的晶体管来实现以上的功能。
 
 　　DX10则转向了新思路:使用了像素描影器直接存取帧缓存的方式来部分代替以前的实时渲染，某些情况下，我们可以随时中断渲染，加入我们想要的效果，再继续运算，不对整个渲染过程造成影响，使渲染变得更为灵活和可控。但并不意味着在DirectX10中进行实时渲染模式就毫无问题，并且厂商可能放弃了对这种技术的支持。那样这项技术很可能以一种备选方案出现，如此一来，程序员可能会忽略这项技术的存在而继续沿用老方法。