-
本连载的主要目的，是介绍最新的
PC
和
GAME
所使用的最新
3D
< br>图形技术的发展趋势。
暂时的方针是，首先是考虑介绍比较新的
PC Game
和
PS3
，
XBOX
360
等新时代游戏机的游
戏所采用的技术。
< br>
那么首先，想回顾一下近年来的
3D
图形技术的进化历史。
<
/p>
实时
3D
图形技术的进化历史
目前，不仅索尼的
P
S3
，微软的
Xbox360
，任天堂
的
Wii
这些最新的游戏机，以及最新的微
软
Windows Vista
的用户界面变成了
3D
图形，就连
NDS
和
PSP
等掌机，以及一部分最新
的移
动电话也支持了
3D
图形技术。
说来，实时
3D
图形是怎么进化着，并向未来发展的呢？今后，要长期和实时
3D
< br>图形打交
道的人，先试着整理基础知识吧。
1980
年代后半到
90
年代前半，
Flat Shading
到
Texture
Mapping
的时代。
在这之前
3D
游戏还没有应用，
基本上
[3D
图形
]
是用在技术训练的模拟，解释自然现象
或光学现象的学术研究，
比如说对影像表现的应用等，
在专业用途和学术用途的领域里进化
着。从
19
80
年代后期开始到
1990
年代，大
型游戏制造厂商在街机用途的游戏系统里采用
了实时的
3D
图形系统。从这开始
3D
图形才真正在游戏
里被有效的利用。
要说这个时代具
有代表性的作品就是
NAMCO
（南梦宫）
的
「
winning run
」<
/p>
(1988
年
)
、
SEGA(
世
嘉
)
的
[Virtual Fighter
< br>（
VR
战士）」
(1992
年
)
。那时候虽然也使用多边形模型来实时
表现，
但多边形数很少，采用的
lighting
也是以多边形为单位的
Flat
Shading
为主流。
但是，游戏和
3D
图形的相遇，确立了
[
实时
3D
图形
]
这个领域，并一直支援着它的进化。
在
NAMCO
的
[RIDGE RACER(
山脊赛车
)](1993
年
)
里，
应用
Texture Mapping
的
3D
模型
（在
多边
形上贴上贴图）可以自由运动，就好像是从积木集合体那样的
3D
图形开始，一下提高
了真实性。
[Virtual Fighter
（
VR
战士）
」
(1993
年
)
。
< br>只是以多边形单位
lighting
为基本的
[Flat Shading]
，
也没有
Texture Mapping
这个概念，因此，脸和服装都使用
”
某种形状的多边形
”
来绘制
(C)SEGA
。
1990
年代中期～家用游戏机开辟
了面向消费者的实时
3D
图形。
当时，除了特殊的图形工作站，如果限定在
< br>[
游戏平台
]
，那么当时
3D
图形技术最先进的是
街机游戏系统。
然而，
1994
年发生历史性的逆转，
那就是
SONY PlayStation
（
PS1
）
和
SEGA
Saturn
的登场。
尽管分辨率不是太高，但提供给消费者对应
Texture m
apping
的实时
3D
图形的意义很
大。
在这些主机上，实时
3D
图形和<
/p>
3D
游戏图形以并行的关系性，开始急速的进化。
另一方面，很遗憾，这时适合普通消费者的
PC
的
3D
图形技术
，要比游戏机大幅度落后。
适合普通消费者的
PC 3D
图形技术真正的普及，
是在
1995
年登场的新操作系统，
Windows95
的时
代之后。
微软发表了把
Windows
环境下的
Sound
，
Graphic
，
net
work
，
Game controller
< br>等多媒体
API
组件整合到一起的「
DirectX
」，
Windows 95
也采用了它。
DirectX
后面增加版本号的称呼<
/p>
也成为惯例、
Windows
环境下真正
的
3D
显卡开始普及。实时
3D
图形可以使用是在
1997
年发表的
[DirectX 5]
之后。
也正是这个时候，大型的
CPU/C
hipset
制造厂商
Intel
的新
图形端口
AGP
（
Accelerat
ed
Graphics Port
）
总线技术也投入实用化。
强大的图形芯片制造厂商
NVIDIA
推出了
RIVA 128
系列，
ATI(2006
年和
AMD
合并
)
推出了
RAGE 3D
系列。都深受欢迎。比
PS1
登场晚了
3
年，
PC
平
台终于有了可以和
PS1
同程度的实时
3D
图形。
NVIDIA
的「
RIVA
128
」
DirectX 5
時代、
「用
PC
玩
3D
游戏」<
/p>
并广为传播的
「
Quake II
」
(1997
年、
i
d software)msun;
(C)1997 id
Software
，
Rights
Reserved
。
DirectX 6
時代，
以显卡的经
典游戏而闻名的
「
Incoming
」
(1998
年、
Rage
社
) (C)Rage Games
Ltd
1998
。
1990
年代后期
~
DirectX
的急速进化历史
<
/p>
1990
年代后期，由于
PC
业界团结一致的致力于强化
PC
，使图形实现了急
剧的进化
1998
年，发表了整合了当时已经发表的各种实时
3D
图形功
能的
DirectX6
，次年
1999
年，
决定了今后
PC
< br>图形进化方向性的
DirectX
7
也被发表了。
直到
DirectX 6
以前，
3D
图形处理硬件，
只担当多边形和相应的像
素的计算
（光栅化
rasterise
处理），和处理贴上材质纹理等像素单位的处理。
DirectX 7
中，
实现了把之前
CPU
担当的顶点单位
(
多边形单位
)
的坐标变换处理和光照处理，
改由
3D
图形硬件来担当的结构。
特别是在那时，
把用图形
“
硬件
”
进
行
“
顶点单位的坐标变
换
(Transform)
和光照处理
(Lighti
ng)”
的结构，称作
[Hardware T&L] (T:
Transform L:
Lighting)
还有，因为这个契机，
PC
业界理解到
[
担当全部图形处理的处理器
]
的含义，开始把这样的
硬件（处理器）称为
GPU
（
Graphics Processing Unit
），以后也就这么定下来了。另外不得
不说句闲话，
GPU
的这个称呼，发音和文字上都和
CPU(Centra
l Processing Unit)
对应着。
作为对应
DirectX 7
的
GPU
，
NVIDIA
的
GeFo
rce 256
和
ATI
的第一代
RADEON
登场了。
搭载了「
NVIDIA GeForce
256
」的显卡
< br>实时
3D
图形技术上，虽然这之前感觉游戏机一方走在更
前面一些，但是从进入
DirectX 7
时代开始，形势完全
被
PC
逆转了。这是因为，家用游戏机都被普及性优先的战略所
制约，
只能以
5
年为一个周期变更硬件
配置，相对的，
PC
每年都可以吸收最新技术完成进化。还
有，
当时游戏机的份额之争是在
3
个制作商之间争斗，
相对，
PC
图形因为是在近
10
个制造
商
之间争夺，所以也对激烈竞争的根源起了不小的影响吧，但是，直到进入了
Direct
X 8
時
代，大淘汰的浪潮终于涌了过来，
GPU
制造厂商也缩小到数家。
「
GIANTS:CITIZEN KABUTO
」
(2000
年、
PLAN
ET MOON STUDIOS)
。在
DirectX 7<
/p>
时代，
PC
的实时
3D
图形的表现力完全凌驾于家用游戏机之上。
(C)2000 Planet Moon Studios. All Rights
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Giants, Giants: Citizen Kabuto, Interplay, the
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distributed by Interplay Entertainment
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trademarks are the property of their respective
owners.
2000
年
Programmable Shader Architecture(
可编程着色器架构
)
展开帷幕。进入
GPU
制造商淘汰的
DirectX
8
时代。
虽然在
1998
年世嘉
?Dreamc
ast
，
2000
年受到期待的索尼<
/p>
?PlayStation2
开始发售，但是在
< br>3D
图形的处理能力上，它们和当时的
PC
图形保持在同等程度。
确实，虽然
PC DirextX
一方
有着先进性，但硬件（
GPU
）的急剧进化并不能牵引软件业界
，
PC
一方变得难以技术同步。
虽然那么说，但作为
PC
业界，不管怎样都维持了每年一定会积极采用全世界研究者们创新
出来的最
新
3D
图形技术的基本方针。说到原因，对最新技术牵引的
PC
业界来说，导入像
家用游戏机那样的缓
慢的进化循环是很难的。
PC
一方每次在新
GPU
上搭载新机能，
Dire
ctX
就要为了可以利用这个机能新添加的
API
，这使
DirectX
不断的增长。
此外，实现的新功能在实际应用里使用是没有限制
的，这样的功能作为
DirectX
内的化石功
能持续残留着。
GPU
则也要为了这些化石功能消费晶
体管，不合理的成本和电力消耗是没
有意义的。
就在这时，设法把图形处理用软件方式实现，并导入到
GPU
里的想法被提出了，从而有了
加入
[shader
可以编程实现
]
这个含义的
,[
可编程着色器
](Programmable Shader)
的概念
(
待
续
)
世界第一个面向消费者的采用可编
程
Shader
架构的
GPU
「
GeForce
3
」
GeForce 3
的人脸动画
DEMO
，利用可编程着色器实现的基于法线贴图的凹凸贴图表现，
对
衣服的外形和人肌肤的褶皱也一样适用。
< br>那么，在上次最后介绍的是可编程着色器架构（
Programmable
Shader Architecture
），最
早支持它的<
/p>
DirectX
是
2000
年末发表的
DirectX
8
。
作为对应
DirectX 8
的
GPU
，
NVIDIA GeForce
3
，
ATI Radeon 8500
等被投入市场。还有，
2001
年微软推出的
< br>Windows XP
，也集成了
DirectX
8
。
可编
程
Shader
有担当顶点处理
/
多边形处理的
[
可编程顶点着色器
]( Programmable Vertex
Shader)
，和处理像素单位的阴影和处理相关纹理的
[
可编程像素着色器
] (Programmable
Pixel
Shader)
两种类型，在各自的着色器单元
(Shader
Unit)
上，有着把各种各样的
Shader
程序来实现为
3D
图形的处理的结构。
而且，
作为用语，
如果直接说
[Programmable Shader]
，
有指双方（<
/p>
VS
和
PS
）的
情况，或者是指这个整体的概念。
并且，由于这个
Shader
程序是软件，开发者可以自己制作
独创的
Shader
程序，就可以在
G
PU
上实现新的图形功能。
这样，即使不等待每年发表的最新
3D
图形技
术和下一代
GPU
登场，如果开发了实现这个
< br>技术的
Shader
程序（除了性能上有差别），那么也
会产生从实验或实践中获益。这个技术
传播后，也产生了硬件和软件业界就为再次互相靠
近的契机。
但是，
可编程
Shader
架构的实现，
要求
GP
U
制造厂商有很高的技术能力，
在接下来
DirectX
9
登场的时候，
支
撑了初期实时
3D
图形的
GPU
厂商的撤退变得很显眼，
淘汰的结果，
200
1
年以后，
GPU
制造厂商的两大巨头
NVIDIA
和
ATI
激烈的
GPU
战争变得突出。
现在，
除了两个公司以外还在开发对
应
PC
消费者的量产
GPU
的还有英特尔
（但集成到芯片
组里）
和
S3
公司。
支撑
PC
图形黎明期的
3dfx
公司，
2000
年被
NVIDIA
收购，
类似的
Number
Nine
公司也在
1999
年倒闭了。
Windows 9x
时代，在日本有着极大人
气的
MATROX
公司，
虽然也最后投
入了
DirectX 8
代
GPU
「
Parhelia
」系列，但并不成功，
此后就远离了对应最
新技术的
GPU
开
发。
面向专业工作站用
GPU
的
3Dlabs
公司在
Windows 9x<
/p>
时代虽然也投入
了对应消费者的
GPU<
/p>
，但也是徒劳，
2002
年被
Creative
公司收购，
2006
年宣布退出专业
用
GPU
业务。
从芯片组制造厂商
SiS
派生出
的
GPU
专门制作厂，新成立了
XGI
公司，
2006
年，在对应最新技术的
新
GPU
开发方面，事实上也是退出了。
【
XGI
上海研发部先是被
ATI
收购，不久后
ATI
又被
AMD
收购。】
对了，在
DirectX 8
发表约<
/p>
1
年后的
2001
年末。微软发售了以
DirectX 8
为基础的游戏机，<
/p>
第一代「
Xbox
」。这里就不做过多讨
论了，不过，
Xbox
是世界上首个采用可编程
Shader
架构的家用游戏机。
第一代「
Xbox
」。搭载了以
GeForce 3
为基础的
GPU
，
API
使用
DirectX
。
Xbox
和
PC
两方发售的「分裂细胞（
Spl
inter Cell
）」
(
育碧
UBI SOFT)
，让世界了解了基于
可编程
Shader
的
3D
图形的可能性。
200
2
年
/2003
年～
< br>
Shader Modle
2.0
和第一期
DirectX
9
时代
DirectX
8
时代的
programmable shader(
可编程着色器
)
，因为每个
GPU
制造厂商有若干个
分支版本混合在一起的关系，
所以被规定为
SM1.x
。
然后到了
2002
年，
新的可
编程
shader
，
支持
2.0
规格的
DirectX9
发表了。
可编程
shader
的规格，用
Shader
Model(
简称
SM)
的关键词后面
加版本号来指出架构的方
式，近年来变得常态化。总之，例如
D
irectX 9
时代应该就是指「
SM2.0
」对应
GPU
兴起的
时代。<
/p>
SM2.0
可以执行比
SM1.x
更长的
Shad
er
程序，命令种类的增加，能使用的命令组合的限制
也被降低
了。还有，以前只有
Vertex
Shader
可以使用的浮点运算精度，现在
Pixel
Shader
上也可以使用了，
Pixel Shader
的阴影处理的计算精度和能够表现的动态范围也扩展了。这
个扩展决
定了未来被称为
[
高动态范围渲染
]
(High Dynamic Range Rendering:HDR
Rende
ring)
的产生，成为实时
3D
图形
新趋势的契机。
DirectX
7/
硬件的
T&L (T:Transform
，
Lighting)
的第一代
GPU
，并且对应
DirectX
最
初的可
编程
Shader
的
GPU
都是从
NVIDIA
发布的显卡。相对的，
DirectX 9/SM2.0
对应
的
GPU
的
最初显卡是
ATI
发布的
Radeon 9700
，
都是让人感慨很深的事情。
虽然
NVIDIA
也投入了与
之对抗的
GeForce FX
，但制造上有问题，性能上也不利，
SM
2.0
时代在
ATI
的优势中过去
了。
首款对应
SM2.0
的
GPU
，
ATI
发布的
Radeon 9700
系列，后面的
9800
，低端的
9600/9500
系列也受到了
欢迎。
SM2.0
时代
ATI
的优势被确定，
这
时最被盼望登场的
VALVE
公司的大型游戏
< br>[
半条命
2
（
< br>Half
life 2
）
]<
/p>
，也是以
ATI
的
Radeon 9500/9600/9700/9800
系列作为最合适的
GPU
，展开了销
售战略。
[Half Life 2] (VALVE)
最初是预定在<
/p>
2003
年发售，几次延期后，在
200
4
年末被推出了，虽
说有好有坏，
HL
2
为
SM2.0
时代
< br>GPU
的构筑做出了贡献。
(C)2004 Valve Corporation. All rights
reserved. Valve
，
the Valve logo
，
Half-Life
，
the
Half-Life
logo
，
the Lambda
logo
，
Counter-
Strike
，
the
Counter-Strike logo
，
Source
，
and the Source logo are trademarks or
registered trademarks of Valve Corporation in the
United States and/or other countries.
All other trademarks are property of their
respective
owners.
2004/2005/2006
年～
Shader
Modle3.0
和第二期
DirectX
9
时
代
<
/p>
SM2.0
虽然说是
，但和
1.x
时一样，产生了几个小型的分支。
NVIDIA
在
GeForce FX
里组装了起名为可编程
Vertex Shader2.0a<
/p>
（
VS2.0a
）
和可编程
Pixel Shader
2.0a(PS2.0a)
。
DirectX 9
登场约
2
年之后的
2004
年，
微软并没有发表
DirectX
10
，
而是发布了新的
DirectX
9
的小幅升级版（
minor
version up
），完成了
Shader Model3
.0
，即
SM3.0
的对应。
SM
版本提高了<
/p>
1.0
，
但
Di
rectX
版本没有提高的原因有
[
为
了配合即将推出的
Windows Vista
一起推出
]
，
[
考虑到之后出
现的
ATI
制造的
GPU
没对应
SM3.0
」
等多种
说法，
但具体不明。
【
ATI
和
NVIDIA<
/p>
有着不同的公司风格：
ATI
从来不搞自
己的一套，
专心跟着
Microsoft
的标
准走，老大说一决不说二；而
NVIDIA
一直都喜欢推出自己的标准，不论是
SM
中
VS
和
PS
的版本、<
/p>
OpenGL
的
EXT
< br>、以及
Cg
和
CUDA
等，应该说是一个很有活力和野心的公司，在
推进技术的同时，也给行业
带来了某种程度上的混乱。】
实际
上，
SM3.0
里
Shader
程序的程序长度限制被取消，
Vertex
Shader
、
Pixel Shader
双方
的指令集也被扩充。
SM2.0
里动态条件分支和循环虽然只限在
VS
里，但在
SM3.0
中，
PS
里也可
以支持了。
实际上，
可编程
Shade
r
的
VS
和
P
S
的差距没有了。
还有，
从
Vertex Shader
还支持了可以访问
T
exture(
纹理
)
的新技术「
Vertex Texture Fetching: VTF
」<
/p>
(
别名
Texture
link)
，在那时深受欢迎。
首款对应
SM3.0
的
GPU
，是
NVIDIA<
/p>
发布的
GeForce 6800
系列，
意外的是，
ATI
在
2004
年新登场的
GPU
、
R
adeon X800
系列，还是选择停留在只对应
SM2.0
。
NVIDIA
的
GeForce 68
00
系列。首款对应
SM3.0
的
GPU
，再次从
NVIDIA
那边登场了。
Radeon
X800
系列，是对应
Vertex Shader
2.0a
和像
Piexl Shader2.0b
扩展改良的
SM2.0
的
G
PU
。
2004
年是两大巨头步调不一
致，
用户混乱的一年。
在把
SM2.0
称为
“2.0”
的同时，
因为
ATI
和
NVIDI
A
都独自扩张，也出现了细节版本号的不一致。
2004
年也是新的总线端口，「<
/p>
PCI-Express
」被开始使用的一年。显卡的总线迎来从
AGP
到
PCI-Express x
16
总线的转移期。
2004
年～
2005
年，当用户要购买新图形卡或替换，在
选择「是
SM2.0(ATI)
，还是
SM3.0(NVIDIA)
」的同时，还要做
[
是
AGP
还是
PCI-
Express]
这个纠结的抉择。
那么，
NVIDIA
在第
2
年的
2005
年投入了第
二代的
SM3.0
对应
GPU
「
GeForce 7800
」
系列。
作为一贯主张「
2004
年应该贯穿在
SM2.0
的成熟」的
ATI
，在
2005
年，比
NVIDIA
晚了
1
年半
的时候，
投入了自己首款对应
SM3.0
的
GPU
「
Radeon X180
0
」
系列。
但是
Radeon X1800
虽然支持
SM3.0
的基本特性，但却没有对应
VTF
。
接着，
2006
年
NVIDIA
发表第三代的对应
SM3.0
的
GPU
「
GeForce 7900
」系列，与之对抗
的是
ATI
的
Radeon X19
00
系列的投入。两个公司，虽然都是在前一代型号上
来定
位下一个性能提高的产品，除了性能方面以外也可以吸引眼球。再者
，
ATI Radeon X1900
系列也结束了没有
VTF
的状况。
虽然两大巨头
GPU
厂商
ATI
、
NVIDA
都已经
推出对应
SM3.0
的
GPU
是一件好事，
不过关于
VTF
< br>的支持，两个公司的步调不一致。使得
SM3.0
的
VTF
成为了次要的功能，是否支持这
样的
主要功能，对用户和实时
3D
图形技术的进化给予了不小的影响
，这成为迎接即将到来
的
DirectX
10
时代的一个大问题。（待续）
SM3.0
中，作为特殊功能而大受
欢迎的
[VTF]
。但是，因为
ATI
没有支持
VTF
，
VTF
的效果
只能在这个
NVID
IA
的
Sample
Demo
里看到。
在家用游戏机的世
界，
2005
年末微软推出作为该公司的第二代游戏机「
Xbox 360
」。图形
技术方面对应
DirectX 9/SM3.0
，接下来将详细描述其具体性能，
值得注意的是
Xbox 360
GPU(Xenos)
有着世界首个采用统一着色器（
Unified
Shader
）架构的特征。
Xbox 360 GPU
是由
ATI
制造的，意外的是，和同时期
ATI
对应
PC
发
表的
Radeon X1800
系列设计完全不
同，这一点很有趣。之前推出的
Radeon X1x00
系列全部都没有对应
VTF
，不过，
Xbox 360
GPU
对应了。
微软「
Xbox
360
」。
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