管窥DirectX 11与通用计算技术
DirectX 10虽然已发布了两年，但仍未成为游戏的主流，基于DirectX 9的游戏还是目前玩家硬盘里的主力。现在，Windows 7发布在即，微软又将祭出新一代图形API——DirectX 11。保守主义者会认为这种无休止的升级令人厌倦，不过对于图形工业而言，DirectX
11却正在给我们带来了一个新时代。同时，在DirectX 11大旗之下，GPU也将获得更强大的通用计算能力，多线程机制的纳入让游戏渲染效率更高；另外，诸如光线追踪技术的引入，都会对游戏工业产生深远影响。在今年第一期的技术广角栏目中，我们已经做过DirectX
11的技术预览，现在随着Windows 7发布日期的临近，DirectX 11距离我们越来越近了，我们也终于有更加翔实的资料与大家一起分享。
DirectX 11是10.1版本的平滑升级吗？
从DirectX 9到DirectX 10，微软几乎将API打破重来以构建全新的渲染体系，Di rectX 10也成为了第一种影响硬件设计的图形API——统一渲染架构代替传统的分离渲染，从而赋予GPU更高的渲染效率和可编程能力，也为通用计算提供良好的基础，之后的DirectX 10.1就属于功能上的小升级。而到DirectX 11，微软引入了更多的新技术，但同时又保有DirectX 10.1的全部特性，换句话说，
DirectX 11实际上就是DirectX 10.1的扩展集，所有DirectX 10.1硬件所遵循的API对于DirectX 11同样适用。
DirectX 10的渲染架构
对用户而言，这样的设计在兼容方面很有好处：无论软件还是硬件，都可以完美地向后兼容。现行的DirectX 10游戏，在DirectX 11环境下都可以正常运行。而对软件开发者来说，包容的设计使他们能够非常平滑地过渡到DirectX 11，而不需要像DirectX 9到DirectX 10过渡那样突兀和漫长。这样一来，软件厂商可以直接转入DirectX 11技术体系，这对于后续产品开发是非常有利的。不过，
DirectX 11不仅只是简单的升级，它带来相当多的新颖特性，比如引入通用计算着色器（Compute
Shader），允许GPU从事更多的通用计算工作，而不仅仅是3D运算，这可以鼓励开发人员更好地将GPU作为并行处理器使用。还有就是引入多线程渲染、提高GPU的工作效率；新增的镶嵌技术（
tessellation）可以帮助开发人员创建出更为细腻流畅的模型，实现高质量实时渲染和预渲染场景。
DirectX 11的渲染架构
首先我们来看DirectX 10体系的渲染架构，DirectX 10加入Geometry Shader（几何着色器，简称GS单元）设计，让GPU可以直接处理模板阴影特效（Stencil Shadows）、动态法向量图（
Dynamic cube maps）及位移贴图（Displacement mapping）等操作——过去这些操作是由CPU来完成的。此外，Geometry Shader高可支持1024个顶点处理，同时可把不必要的顶点数据删除，这两项功能使得绘图运算将较以往更具效率。除了纳入几何着色器外，DirectX 10的渲染流程其实并没有改变，顶点渲染与像素渲染依次进行，只是在硬件层级上，渲染工作不再由独立的顶点着色器、像素着色器进行，而交给通用的统一着色器（或者说统一渲染单元）。
现在我们接着来看看DirectX 11的渲染管线。引人注目的变化就是：在顶点渲染之后，
DirectX 11新增了外壳着色器（Hull Shader，简称HS）、镶嵌器（Tessellator）和域着色器（
Domain Shader）三个新的管线；而在像素渲染环节，DirectX 11则新增了计算着色器（Computer
Shader，简称CS），这些新增的部分也就是DirectX 11的关键所在。
孪生兄弟：DirectX Compute与DirectX 11
通过上文的阅读我们已经知道，Compute Shader是DirectX 11渲染架构中新增的一个组成部分，也是DirectX 11的一项重要改进，那么它与现在热火的DirectX Compute又是什么关系呢？
二者都叫“计算”，却拥有完全不同的含义。从宏观上上，DirectX Compute是一个应用程序接口，它与DirectX 9.0c、DirectX 10、DirectX 11是同级的关系，而Compute Shader从某种意义上来说时实现通用计算所必需的功能组件。如果用类比的方法来介绍，DirectX Compute相当于通用计算API——OpenCL，而DirectX 11则相当于图形API——OpenGL，大家可以简单地如此类比。
DirectX Compute在支持DirectX 10的显卡上都可以运行
从功能上来讲，DirectX Compute由微软来主导，通过基于DirectX 10、DirectX 11的GPU来实现其通用计算的目的。目前使用成熟的应用便是视频转码操作，这也是Windows 7中一个非常特色的功能：用户将一段视频拖到移动设备上，系统会自动调用DirectX Compute API来进行视频压缩和转码工作。以前想要完成这项工作，我们先要安装转码软件，然后设置各项功能参数，后还要花上很长时间才能得到结果；而现在，一切都由DirectX Compute API来接手，并调用GPU的计算资源，只需要花以前几分之一甚至几十分之一的时间就可以完成。除此之外，DirctX Compute的应用领域还有很多，例如视频插值运算(提高画面质量)、三维网页浏览以及PC游戏的物理运算加速等等。
使用GPU的效率要数十倍于CPU
DirectX Compute在通用计算领域的增强，进一步提升了GPU通用计算的动能，同时也将对该领域产生微妙的影响。作为DirectX 11的合作开发者，AMD公司将首先从其中受益——AMD尽管一直都拥有顶级图形技术，但它并未构建属于自己的通用计算平台，如果用户想利用AMD流处理平台，那么不得不从硬件底层上对AMD GPU进行编程，难度巨大！而在DirectX Compute导入之后，这种局势有望得到一定的缓解，不过我们仍需保持清醒：DirectX 11的Computer Shader只是硬件上的计算着色器，即为GPU增加了一个新的计算单元，而不是导入一系列可直接实现GPU通用计算的API，换言之它只是增强了新一代GPU的通用计算硬件性能，从这个意义上讲，AMD的流处理平台可以因DirectX Compute获益，但幅度是比较有限的。
使用DirectX Compute可以实现很多以往想实现，但是没有办法做到的渲染，
途中所示为NVIDIA的“置换散射材质”演示DEMO。
DirectX Compute令GPU通用性变得更加强大，这对于OpenCL和NVIDIA的CUDA平台都将产生正面影响。OpenCL是GPU通用计算的API标准，它提供了并行计算API和一个扩展的编程语言，
DirectX Compute增强了GPU通用性能，但由于重点不同，它与OpenCL完全不是竞争关系，反而进一步增强了OpenCL的实用性——DirectX 11提升GPU通用性能，基于OpenCL的通用计算程序将更富效率。
与此类似，NVIDIA的CUDA平台也将获得来自DirectX Compute的强大推动。CUDA包括应用
API、开发环境以及编程语言，它的完整性比开放的OpenCL还要高得多。在过去几年间，CUDA非常成功并获得学术界与高性能计算行业的广泛采用，实际上奠定NVIDIA在GPU通用计算领域的王者地位。
目前CUDA发展到2.x版本，3.0版将在09年第四季度出台，当OpenCL 1.0在08年12月9日正式出台之后，NVIDIA CUDA就迅速提供支持，亦即将OpenCL的相关特性纳为子集；对于DirectX
Compute NVIDIA同样态度积极，将在年底推出的CUDA 3.0将对DirectX 11的Computer Shader提供支持，及时吸纳GPU领域的新成果，此举也将进一步增强CUDA的优势。鉴于NVIDIA的GPU通用平台已经在开发环境、应用API、编程语言和实际市场占用率中具有全方位优势，AMD、Intel等竞争对手要想在短时间内赶超是不现实的。
灵活多变：Compute Shader
在DirectX 11中，新增的Compute Shader(CS)计算着色器拥有核心地位。与DX10中引入的GS几何着色器不同的是，CS并不是渲染管线的一部分，它的主要用途在于增强GPU的通用计算能力。
我们知道，现在的GPU能够被应用于某些通用计算工作，譬如在高并行计算应用中，GPU就表现出十倍于CPU的卓越能力。对游戏开发者而言，经常出于某种需要希望GPU能执行通用计算指令，但以往的渲染结构却对GPU制造了诸多障碍——比如说，程序员可以在一个像素着色程序中强行加入通用算法，但却无法随意利用诸如树形结构之类的数据结构，这就给程序员带来很大的麻烦。因为要在像素间共享数据的过程非常繁琐，先绘制三角数据结构、再加入贴图是唯一的解决方案，但这将严重影响GPU的渲染性能。而在DirectX 11和CS着色器的帮助下，未来的游戏开发者将不再受困于此，他们可以直接越过复杂的数据结构、并在这些数据结构中运行更多的通用算法。而这些算法将由CS着色器专门负责，不会给渲染单元带来额外的负担。
DirectX 10硬件只要获得相应的驱动，便可享有DirectX 11游戏的多线程支持
CS代码可以做到高度灵活，它们可以支持随机读写、不规则列阵（而不是简单的流体或者固定大小的2D列阵）、多重输出，并可根据程序员的需要直接调用单线程或多线程应用。CS体系中拥有32Kb容量的共享寄存器和线程组管理系统，具备可执行无序IO运算的能力。总之，CS可以带来几乎无限的新型应用，关键在于开发者能够在多大程度发挥它的功效。
在获得灵活性的同时，CS也会带来一些性能损失。由于单线程任务现在无法以像素为单位，所以这些线程将会丧失几何集合功能。从技术上讲：虽然CS程序依然可以利用纹理取样功能，但是原本的“自动三线LOD计算”将会丧失自动功能，程序员必须指定LOD指令。另外，一些并不重要的普通数据的深度拣选（depth culling）、抗锯齿（anti-aliasing）、α混合（alpha blending）和其它运算不能在一个CS程序中被执行。
DirectX11的Tessellation处理流程
CS可以为开发者带来多种多样的灵活渲染，这项先进技术应该正中游戏开发商们的下怀：它们的兴趣大多是寻求先进技术来增强游戏引擎，比如增强抗锯齿性能或无规则透明度的性能，带来更先进的Deferred Shading（延迟着色）技术、后处理效果（post processing effect）等等，CS都可以大放异彩。除了上述这些特殊的渲染应用，游戏开发者可能还希望让GPU完成诸如IK(inverse
kinematics，逆运动学)、物理计算、人工智能计算等过去由CPU完成的通用计算，而利用CS在GPU上执行这些算法时，可以获得非常理想的效率。
化繁为简：Tessellation镶嵌化技术
早在XBOX 360平台上，ATI就带来了一项名为“Tessellation（镶嵌化）”的新技术。这项技术的用途就是提升硬件的利用效率、用低的资源获得好的渲染效果——简单点说，我们可以将它比作数据传输中的压缩技术。
Tessellator可以将原始的图形分成很多更小的图形，然后它还可以将这些小图形组合到一起、形成一个新的几何图形，这种几何图形更复杂，当然也更为逼真。打个比方，Tessellator技术可以让某个图形变成立方体，并通过旋转让其从底部看起来像是个球形，而这两者实际上都使用相同的数据，达到节省资源的目的。
Tessellation技术可以将简单的图形演变为复杂的图形
在DirectX 11系统中，Tessellation处理过程包括外壳着色器（Hull Shader，简称HS）、镶嵌器（Tessellator）和域着色器（Domain Shader）三个组件，其中HS外壳着色器负责接收琐碎的图形数据和资料，镶嵌器（Tessellator）只负责分块处理，它根据HS的指令要求生成大批量的、确定数量的点，然后将数据传送给域着色器（Domain Shader），再由它来将这些点转换成3D处理中的顶点，终就生成了相应的曲线和多边形。
如果开发者能够娴熟地运用镶嵌化技术，那么就能够极大程度提升游戏性能、或者说在保有当前性能的条件下显著提升画面品质。这一点我们可以从下面的对比中看出来：在采用传统高细节模型渲染时，原始模型需要动用巨量的三角形，数据量十分之大，终获得354fps的渲染性能。而采用低细节模型和Tessellation技术来生成相同的效果，所需的数据量与前者简直不成比例，渲染性能可达到821.41fps，两者对比非常悬殊。然而，镶嵌化技术也不是万能的：其使用的是一项完全固定的单元，不具备任何可编程能力，这就意味着开发者没有丝毫回旋余地。
这一点看起来与图形技术的发展方向背道而驰。微软之所以在DirectX 11中纳入这项技术，很大原因就是因为Tessellation确实具有显著的效果，以至于微软无法拒绝。
多线程(Multithreading)功能：多核处理器派上用场
双核处理器早已经成为PC系统的标准配备，三核、四核更是进入主流市场，然而，现在只有为数不多的游戏产品能够对多核平台提供良好的支持，原因在于为多核平台编程十分困难，只有高水准的开发者才能够胜任，但显然并不是所有的游戏公司都有这样的一流好手。因此，直到今天为主，仍有很多数游戏都还只能在单线程下工作，即只能支持CPU的单核运作，其它核心的计算力无法得到充分发掘。
只要开发者采用DirectX 11作为开发平台，那么代码本身就能直接支持多核平台，DirectX 11在底层接管了多核平台的资源分派问题。DirectX 11预示着多线程游戏真正步入现实，我们才可以说多核心处理器被真正派上了用场。对于一套四核游戏平台，当某个渲染场景中有人像和它的三个镜像，DirectX 11就会启动四个线程进行并行处理，效率显然要比目前单线程处理的方式快上数倍！而更令人兴奋的是：多线程技术不仅适用于DirectX 11平台，它同时也能够让现有的DirectX 10硬件受益。比如说基于DirectX 11开发的新款游戏，可以很好支持多线程，而当它在DirectX 10硬件平台上运行时，多核优化的机能依然有效，前提是AMD和NVIDIA必须为各自的DX10 硬件开发出相应的驱动软件才行——就目前看来，这项工作的进展非常顺利。
对象支持：HLSL 5.0高级着色语言
在DirectX 11中，HLSL(MS's High Level Shader Language，微软的高级程序语言)也被升级到5.0版本。HLSL与C语言比较类似，新版本的改进就是新增了类（Class）和接口（interface）的支持，实现了面向对象的支持。
游戏代码高度复杂，若开发语言缺乏面向对象功能，对程序员而言不吝是一个噩梦
这样的升级显然顺应了潮流，上一代HLSL 4.0无法支持面向对象开发，而对于任何一款游戏，编程人员和美工要么构建一种单一的大型渲染，要么就是编写大量的小型渲染程序——这些代码资源巨大，如果没有面向对象指令的话，很难对这些程序进行有效的管理。从这个角度上讲，HLSL 5.0的微小进步依然值得赞许，不过我们相信仍然会有很多程序员表示不满，因为HLSL 5.0依然还不支持指针功能。
写在后：DirectX 11前瞻
DirectX 11的技术改进是渐进式的，并紧扣着开发者的需求，多线程、Tessellation镶嵌化技术、Compute Shader通用计算着色器、面向对象的HLSL 5.0，这些特性都极具实用价值，开发者没有拒绝的理由。DirectX 11将伴随着Windows 7到来——实际上，我们发现这两者在技术风格上出奇一致：都是在一个良好基础上进行深度的改进，这种改进方式稳妥可靠，不需要耗费巨大的工作量，这样反而可以很好地照顾到用户的需求。可以确信，当DirectX 11到来之后，游戏工业在很短的时间内就可以直接实现支持，而DirectX 11游戏的上位时间也会比过去快很多，不会再出现诸如新游戏刚出来，DirectX API就被淘汰的现象。得益于GPU与API的双重进步，未来的DirectX 11游戏将会拥有更精美的画面，我想所有的游戏玩家都会对此热烈欢迎。
