Tessellation

Tessellation一词相信大家并不陌生&＃xff0c;早在DX9C时代&＃xff0c;微软XBOX360游戏主机中由ATI设计的Xeno显示芯片就支持&＃xff1b;从DX10时代到DX10.1时代&＃xff0c;ATI HD2000/3000/4000系列显卡全都整合了一个叫做Tessellator的模块&＃xff0c;虽然当时没有任何游戏能够支持该技术&＃xff0c;但ATI通过几个演示Demo展现了Tessellation技术的魅力。

事实上&＃xff0c;在更早的DX8时代&＃xff0c;ATI就已经和微软联手开发了TruForm&＃xff08;N-Patch&＃xff09;技术&＃xff0c;也就是Tessellation的前身&＃xff0c;并被纳入DX8.1的范畴。但由于该技术有一些不可控制的BUG&＃xff0c;因此被DX9和DX10无情的抛弃了。

Tessellation之所以未成气候&＃xff0c;就是因为此前的技术还不够完善&＃xff0c;另外GPU处理能力不足也是一大因素&＃xff0c;因此ATI即便有微软的鼎力相助&＃xff0c;也未能将该技术发扬光大。到了DX10时代&＃xff0c;ATI虽然在全线GPU当中整合了Tessellator模块&＃xff0c;无奈孤掌难鸣&＃xff0c;并没有得到游戏开发商的支持。

直到DX11时代&＃xff0c;GPU自身的性能有了长足的进步&＃xff0c;硬件上真正具备了细分曲面的实力&＃xff0c;再加上微软重新改写API渲染流程&＃xff0c;专为Tessellation开辟了新的着色器&＃xff0c;这才让Tessellation技术得以重见天日。

Tessellation这个英文单词直译为“镶嵌”&＃xff0c;也就是在顶点与顶点之间自动嵌入新的顶点。Tessellation经常被意译为“细分曲面”&＃xff0c;因为在自动插入大量新的顶点之后&＃xff0c;模型的曲面会被分得非常细腻&＃xff0c;看上去更加平滑致密。它是一种能够在图形芯片内部自动创造顶点&＃xff0c;使模型细化&＃xff0c;从而获得更好画面效果的技术。Tessellation能自动创造出数百倍与原始模型的顶点&＃xff0c;这些不是虚拟的顶点&＃xff0c;而是实实在在的顶点&＃xff0c;效果是等同于建模的时候直接设计出来的。

Tessellation技术是完全可编程的&＃xff0c;它提供了多种插值顶点位置的方法来创造各种曲面&＃xff1a;

1. N-Patch曲面&＃xff0c;就是和当年TruForm技术一样&＃xff0c;根据基础三角形顶点的法线决定曲面&＃xff1b;

2. 贝塞尔曲面&＃xff0c;根据贝塞尔曲线的公式计算顶点的位置&＃xff1b;

3. B-Spline、NURBs、NUBs曲线&＃xff08;这三种曲线均为CAD领域常用曲线&＃xff0c;在Maya中均有相应工具可以生成&＃xff09;

4. 通过递归算法接近Catmull-Clark极限曲面。

Tessellation技术最初主要被用以“细分曲面”&＃xff0c;随着该技术被纳入DX11范畴&＃xff0c;得到大范围推广之后&＃xff0c;插值顶点的算法也越来越多&＃xff0c;因此用途也越来越广&＃xff0c;产生了很多非常有创意的应用。

Tessellation技术还经常与Displacement Maps&＃xff08;贴图置换&＃xff09;技术搭配使用&＃xff0c;从而将平面纹理贴图改造成为具有立体感的几何图形&＃xff0c;大大增强3D模型或场景的真实性。

除了大幅提升模型细节和画质外&＃xff0c;Tessellation最吸引程序员的地方就是&＃xff1a;他们无需手动设计上百万个三角形的复杂模型&＃xff0c;只需简单勾绘一个轮廓&＃xff0c;剩下的就可以交给Tessellation技术自动镶嵌&＃xff0c;大大提高开发效率&＃xff1b;而且简单的模型在GPU处理时也能大幅节约显存开销&＃xff0c;同时大幅提升渲染速度&＃xff01;

Tessellation的改进

ATI的HD2000以上级别显卡其实都具备Tessellation的功能&＃xff0c;但它们却无法与DX11中的Tessellation技术相兼容。这是因为微软并没有原封未动的将R600的Tessellation技术抄到DX11之中&＃xff0c;而是对其进行了优化&＃xff0c;使之能与渲染流程完美的结合在一起&＃xff0c;可以更高效率的细分出更多的多边形和曲面。

与DX9C/DX10时代孤零零的Tessellator模块不同&＃xff0c;在DX11当中&＃xff0c;微软加入了两种全新着色器来全力配合Tessellator的工作&＃xff0c;分别位于镶嵌器的前后。

其中Hull Shader&＃xff08;外壳着色器&＃xff09;用来控制自动生成顶点的数量和算法&＃xff0c;也就是Tessellator的细分级别&＃xff0c;然后交给Tesselator进行镶嵌处理&＃xff0c;最后由Domain Shader&＃xff08;域着色器&＃xff09;按照程序要求生成所需曲面&＃xff0c;并自动进行法线平移、置换贴图&＃xff0c;产生新的模型。

与DX9/10中的Tessellation技术相比&＃xff0c;DX11新增的两种着色器都受统一渲染架构支配&＃xff0c;因此处理能力非常富裕&＃xff0c;DX11版Tessellation不仅效率更高、而且细分级别更丰富。但是&＃xff0c;更高的细分等级对Tessellator模块本身的处理能力提出了苛刻要求&＃xff0c;这需要芯片厂商在设计之初就考虑周全&＃xff0c;在本文架构解析部分&＃xff0c;笔者会详细分析ATI和NVIDIA两者的设计思路。

Tessellation的前景

Tessellation技术所实现的功能并没有局限在“细分曲面”的范围内&＃xff0c;随着DX11逐渐走向普及&＃xff0c;开发商和程序员基于新的API开发游戏时&＃xff0c;更多有创意的应用将会呈现在大家面前。