Shader Model 4.0

DirectX 10另一个引人瞩目的特性便是引入了Shader Model 4.0，那么，Shader Model 4.0能够带来怎样的新特性，特别是将它与DirectX 9.0c中Shader Model 3.0相比时？

　　引入新Shader : Geometry shader

　　DirectX 10新引入的Geometry Shader，可以简单地编程操纵几何图元，同时， vertex、geometry、pixel shader采用了统一的Sahder架构。

　　Geometry shaders是可编程图形流水线的一大进步。它第一次允许由GPU来动态的生成和销毁几何图元数据。通过和新的数据流输出功能配合使用，许多以前无法实施的算法现在都可以在GPU中使用了。

　　统一的Shader架构

　　在DirectX 9中，Pixel shader总是在各个方面落后于vertex shaders，包括常量寄存器个数、可用的指令个数、shader长度等。程序员需要区分对待这两种shader。

　　而在shader model 4中，无论 vertex、geometry和pixel shader，均有统一的指令集、同样的临时/常量寄存器个数，它们将平等的共享GPU中的所有可用资源。这样，在编程时便不必再考虑每种shader自身的限制了。

　　百倍于DirectX 9的可用资源

　　对于shader中可用的资源，在Shader model 4.0中比原来有了惊人的扩充。就像早期的程序员们绞尽脑汁的省着用可怜的640k内存一样，在使用以前的DirectX开发游戏的过程中，程序员需要小心翼翼的分配珍贵的shader寄存器资源。寄存器的数量，直接影响着shader程序的复杂度。这和在640k内存的 机器上，怎么也不可能写出Microsoft Office这样的大规模软件是同一个道理。

　　而在DirectX 10中，将临时寄存器由原来的32个扩充到了4096个，将常量寄存器由原来的256个扩充到了65536个。

　　更多的渲染目标(Render Target)

　　所谓渲染目标，就是指GPU可以把画面绘制到的目标，我们可以把它理解为GPU的画布。一般来说，渲染目标被输出到屏幕上，这样我们就能看到画好的画面了。但是有时为了实现一些特效，某些渲染结果并不直接画到屏幕上，而是再返给GPU做进一步的特效处理，而且渲染目标中也不一定是画好的画面的颜色信息。

　　根据图形特效的需要，渲染目标可能是每个物体距离屏幕的远近，或者物体表面上每个像素的方向，或者每个物体表面的温度等等，之为了实现特效，可以按需要在其中绘制任何信息。为了提高这种情况下的效率，很多新的显卡都支持在同一遍Shader执行结束后，同时把不同的信息绘制到不同的渲染目标中。在DirectX 9中就已经支持这种机制了，但是它约束最多同时向四个渲染目标绘制。而DirectX 10将这个数量提升了一倍。

 

Shader Model 4.0

　　DirectX 10另一个引人瞩目的特性便是引入了Shader Model 4.0，那么，Shader Model 4.0能够带来怎样的新特性，特别是将它与DirectX 9.0c中Shader Model 3.0相比时？

　　引入新Shader : Geometry shader

　　DirectX 10新引入的Geometry Shader，可以简单地编程操纵几何图元，同时， vertex、geometry、pixel shader采用了统一的Sahder架构。

　　Geometry shaders是可编程图形流水线的一大进步。它第一次允许由GPU来动态的生成和销毁几何图元数据。通过和新的数据流输出功能配合使用，许多以前无法实施的算法现在都可以在GPU中使用了。

　　统一的Shader架构

　　在DirectX 9中，Pixel shader总是在各个方面落后于vertex shaders，包括常量寄存器个数、可用的指令个数、shader长度等。程序员需要区分对待这两种shader。

　　而在shader model 4中，无论 vertex、geometry和pixel shader，均有统一的指令集、同样的临时/常量寄存器个数，它们将平等的共享GPU中的所有可用资源。这样，在编程时便不必再考虑每种shader自身的限制了。

　　百倍于DirectX 9的可用资源

　　对于shader中可用的资源，在Shader model 4.0中比原来有了惊人的扩充。就像早期的程序员们绞尽脑汁的省着用可怜的640k内存一样，在使用以前的DirectX开发游戏的过程中，程序员需要小心翼翼的分配珍贵的shader寄存器资源。寄存器的数量，直接影响着shader程序的复杂度。这和在640k内存的 机器上，怎么也不可能写出Microsoft Office这样的大规模软件是同一个道理。

　　而在DirectX 10中，将临时寄存器由原来的32个扩充到了4096个，将常量寄存器由原来的256个扩充到了65536个。

　　更多的渲染目标(Render Target)

　　所谓渲染目标，就是指GPU可以把画面绘制到的目标，我们可以把它理解为GPU的画布。一般来说，渲染目标被输出到屏幕上，这样我们就能看到画好的画面了。但是有时为了实现一些特效，某些渲染结果并不直接画到屏幕上，而是再返给GPU做进一步的特效处理，而且渲染目标中也不一定是画好的画面的颜色信息。

　　根据图形特效的需要，渲染目标可能是每个物体距离屏幕的远近，或者物体表面上每个像素的方向，或者每个物体表面的温度等等，之为了实现特效，可以按需要在其中绘制任何信息。为了提高这种情况下的效率，很多新的显卡都支持在同一遍Shader执行结束后，同时把不同的信息绘制到不同的渲染目标中。在DirectX 9中就已经支持这种机制了，但是它约束最多同时向四个渲染目标绘制。而DirectX 10将这个数量提升了一倍。

　更多的纹理

　　在Shader Model 4.0中提供了对纹理阵列(Texture arrays)的支持。在前文中已经对纹理阵列有了比较详细的介绍，在这里只着重介绍一下与shader相关的部分。

　　在每个纹理阵列中，最多可以保存 512张同样大小的纹理。而且每张贴图的分辨率被扩展到了8192×8192。更大的分辨率意味着纹理中更丰富的细节。在一个shader中能够同时访问的纹理个数被增加到了128个，也就是说在每次执行同一个shader时，可以使用一个纹理阵列的512个纹理中的128个。所以说，在DirectX 10中，纹理的多样性和细节程度将会有大幅的提升。

　　新的HDR颜色格式

　　要说这些年来在实时图形界炒得最热的概念，应该是HDR了。它通过采用浮点格式的颜色格式来为纹理、光照等计算提供极大的精度和颜色范围(以前的纹理一般 都是采用整数型的颜色格式)。尽管最后显示到屏幕上还是每个颜色通道8位的整数格式，但是以前由于在材质、光照计算中纹理也是用每通道8位的格式来参与计算，所以在显示到画面之前，很多细节就在低精度的运算中丢失了。

　　而采用每颜色通道16位浮点数的纹理，能够保证在运算过程中几乎没有颜色细节信息的丢失。另外，采用16位浮点格式的颜色通道，可以表现更大的颜色范围。这些就是HDR的优越性。

　　对用户而言，当游戏中的画面罩上一层HDR效果后，立刻显得和真正的照片一样，有朦胧的光晕、细致的高光和十分自然的色调。

　　然而，采用每个颜色通道16位浮点数的格式，比采用每通道8位的整数格式的纹理要多占据一倍的显存；这给绘制的效率带来了负面的影响。所以在 DirectX 10中引入了两个新的HDR格式。第一种是R11G11B10，表示红色和绿色通道用11位浮点数，而蓝色通道采用10位浮点数表示。那么，为什么不都用 11位呢？这是为了凑32这个整数。学过计算机的人都知道，当内存中一个数据单元的宽度是32位时，对它的操作效率最高；而且在纹理数据中一般要求每个像素的数据宽度是2的倍数，如2,8,16,32,64等等。又因为人眼对蓝色的敏感度不如对红色和绿色，所以它比其他两个通道少用了一位。

　　另外一种格式是采用每通道9位尾数、所有通道共享5位指数的形式(众所周知，在计算机中，浮点数是采用尾数附加指数的形式来表示的)，加起来还是32位。 这些新的格式使得纹理能够与原来占用同样多的显存空间，避免了大的空间和带宽消耗。同时，为了适合需要精确的科学计算的场合，DirectX 10能够支持每通道32位(4个通道加起来128位)精度的浮点数纹理。

　　DirectX 10中带来的这些扩充和提高，使得创建前所未有的细节的实时游戏场景真正成为可能。

几何着色器与流式输出

　　在DirectX 10发布之前，图形硬件只有在GPU上操作已有数据的能力。顶点着色器(Vertex Shader)和像素着色器(Pixel Shader)都允许程序操作内存中已有的数据。这种开发模型非常成功，因为它在复杂网格蒙皮和对已有像素进行精确计算方面都表现的很出色。但是，这种开发模型不允许在图像处理器上生成新数据。当一些物体在游戏中被动态的创建时(比如新型武器的外形)，就需要调用CPU。可惜现在大多数游戏已经很给CPU带来了很大的压力，游戏进行时动态创建庞大数量新数据的机会就变得微乎其微了。

　　Shader Model 4.0中引入的几何着色器(Geometry Shader)，第一次允许程序在图像处理器中创建新数据。这一革命性的事件使得GPU在系统中的角色由只可处理已有数据的处理器变成了可以以极快速度既可处理又可生成数据的处理器。在以前图形系统上无法实现的复杂算法现如今变成了现实。

　　几何着色器被放在顶点着色器和光栅化阶段(Rasterizer)中间。所谓光栅化，就是一行一行的扫描每个三角形，把它们一个像素一个像素的绘制到画面 上。几何着色器把经过顶点着色器处理过的顶点当作输入，对于每个顶点，几何着色器可以生成1024个顶点作为输出。这种生成大量数据的能力叫做数据扩大 (Data Amplification)。同样的，几何着色器也可以通过输出更少的顶点来删除顶点，因此，就叫做数据缩小(Data Minimization)。这两个新特性使GPU在改变数据流方面变得异常强大。

　　细分的虚拟位移贴图(Displacement Mapping with Tessellation)

　　几何着色器让虚拟位移贴图可以在GPU上生成。虚拟位移贴图是在离线渲染系统中非常流行的一项技术，它可以用一个简单的模型和高度图(Height Map)渲染出非常复杂的模型。高度图是一张用来表示模型上各点高度的灰度图。渲染时，低多边形的模型会被细分成多边形更多的模型，再根据高度图上的信息，把多边形挤出，来表现细节更丰富的模型。

　　而在DirectX 9中，GPU无法生成新的数据，低多边形的模型无法被细分，所以只有小部分功能的虚拟位移贴图可以实现出来。现在，使用DirectX 10的强大力量，数以千计的顶点可以凭空创造出来，也就实现了实时渲染中真正的细分的虚拟位移贴图。

　　基于边缘(Adjacency)的新算法

　　几何着色器可以处理三种图元：顶点、线和三角形。同样的，它也可以输出这三种图元中的任何一种，虽然每个着色器只能输出一种。在处理线和三角形时，几何着 色器有取得边缘信息的能力。使用线和三角形边缘上的顶点，可以实现很多强大的算法。比如，边缘信息可以用来计算卡通渲染和真实毛发渲染的模型轮廓。

　　流式输出(Stream Output)

　　在DirectX 10之前，几何体必须在写入内存之前被光栅化并送入像素着色器(pixel shader)。DirectX 10引入了一个叫做数据流式输出(Stream Output)的新特性，它允许数据从顶点着色器或几何着色器中直接被传入帧缓冲内存(Frame Buffer Memory)。这种输出可以被传回渲染流水线重新处理。当几何着色器与数据流输出结合使用时，GPU不仅可以处理新的图形算法，还可以提高一般运算和物理运算的效率。

　　 在生成、删除数据和数据流输出这些技术的支持下，一个完整的粒子系统就可以独立地在GPU上运行了。粒子在几何着色器中生成，在数据扩大的过程中被扩大与派生。新的粒子被数据流输出到内存，再被传回到顶点着色器制作动画。过了一段时间，它们开始逐渐消失，最后在几何着色器中被销毁。

高级渲染语言(HLSL 10)

　　DirectX 10 为以前的DirectX 9中的“高级着色语言”(High Level Shading Language )带来了诸多功能强大的新元素。其中包括可以提升常量更新速度的“常量缓冲器”(Constant Buffers)，提升渲染流程中操作数据的灵活性的“视图”(view)，为更广泛的算法所准备的“整数与位指令”(Integer and Bitwise Instructions)，添加了switch语句。

　　常量寄存器(Constant Buffers)

　　着色程序同普通的程序一样需要使用常量来定义各种参数，例如光源的位置和颜色，摄像机的位置和投影矩阵以及一些材质的参数(例如反光度)。在整个渲染的过程中，这些常量往往需要频繁的更新，而数以百计的常量的使用以及更新无疑会给CPU带来极大的负载。DirectX 10中新加入的常量缓冲器可以根据他们的使用频率将这些常量分配到指定的缓冲器中并协调的对其进行更新。

　　在一个着色程序中DirectX 10支持最多16个常量缓冲器，每一个缓冲器可以存放4096个常量。与其相比DirectX 9实在是少得可怜，因为它在每个着色程序中同时最多只能支持256个常量。

　　相比DirectX 9，DirectX 10不仅提供了更多的常量，最主要的是它大幅的提升了常量更新的速度。对那些被分配到同一个缓冲器中的常量，我们只需进行一次操作就可以将它们全部更新完毕，而非单个单个的去更新。

　　由于不同的常量更新的时间间隔各异，所以跟据使用的频率来对他们进行组织就可以获得更高的效率。举例来说：摄像机的视矩阵只在每一帧之间发生改变，而类似贴图信息这样的材质参数却会在图元切换时发生改变。于是这些常量缓冲器被分成了两个部分：那些每帧更新的常量缓冲器专门存放那些需要在两帧间更新的常数并在两帧间一次把他们全部更新，另外的图元切换更新的常量缓冲器也同理。这样就会将更新常量过程中的一些不必要的工作消除，以便让整个着色器脚本比在 DirectX 9中运行的更加顺畅。