Direct3D 10系统（二）

Direct3D 10系统（二）

作者：David Blythe

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翻译：clayman

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3.1 内存结构以及数据流

         现代GPU很大程度上都在处理持续性（retained）的数据结构，包括顶点和索引缓冲，纹理贴图，渲染目标，以及depth/stencil缓冲。GPU通常把这些数据储存在直接连接到它自身的高性能内存系统中。数据结构的类型包括1D到3D的图片、 2D的立方贴图（所有贴图都可以选择是否包含mipmap层次），以及1D同族（homogenous）或不同族（heterogeneous）的索引以及顶点缓冲。为了提高效率，Direct3D 10对这些数据结构进行了统一，统称为资源。性能在两个方面得到了提升：首先，在一个单独的渲染pass中，可以增加处理数据的范围；第二，增加了易用性，可以在第一个pass中产生资源数据，然后在接下来的渲染pass中使用这些数据。

         单pass渲染效率的提高得益于几个方面。首先是数组化资源（arrayed resources）。纹理以及渲染目标将被创建为一个同类型资源的线形数组（最多包含512个元素），并且作为纹理或者渲染目标，约束到图形管道上。用于处理纹理的着色指令将包含由着色器计算（shader-computed）的数组索引。这减轻了应用程序开发者把多张图片打包为一张纹理，以及控制纹理坐标选取子纹理的工作量。但是，纹理数组队对打（解）包尺寸不一致的的图片不一定有用，应为数组中的元素都应该具有相同尺寸。

         当把一个渲染目标的数组约束到OM时，将为GS中的每个图元计算目标数组索引。这允许GS把图元分类（或者复制）到不同的数组元素中。使用一个pass，把环境渲染到包含6个2D渲染目标的立方贴图就是例子之一。当处理环境中的几何体时，由GS决定把图元渲染到立方贴图的哪个面，并且为每个面输出（issue）一次图元。需要注意，GS的渲染目标数据选择机制与PS的多渲染目标输出是独立的。

         为了激活render-to-cube-map以及简化数组的使用，我们为资源引入了view的概念（resource are extended with the notion of a view），要么选择资源中的一个子集（e.g 选取数组中的一个元素），要么把额外的类型数据绑定到部分类型化（partially-typed）的资源上。对后一种情况来说Direct3D 10允许创建不受特定元素类型约束的资源（e.g float16，snorm 16，etc）。这在一定程度上允许了储存类型的“转换”，数据类型可以改变，但数据类型的大小不能变（e.g 不能把两个float16当作一个float32 来对待）。不能直接把资源约束到管道上；而需要通过view来绑定。同一资源的两个不同view可以同死约束到管道上。

         在接下来的pass中使用渲染好的立方贴图是multipass渲染或重复渲染的一个例子，它们都是由Direct3D 10更加灵活的资源模型来实现。另外一个类似的有用特性就是render-to-vertex-buffer。实现方法之一就是把顶点缓冲作为渲染目标（使用一个view）连接到管道上，使用着色器中的一个阶段来计算新顶点数据，并且把它当作颜色熟悉数据传递到余下的管道，输入渲染目标。这种方法的复杂性在于：数据尺寸以及顶点元素类型一致性（4 x float32）的限制, 相对简单操作却需要使用管道的多个阶段（e.g VS and PS），以及如何把1D顶点数据映射为2D渲染目标的问题。Driect3D 10应用程序使用view来选择顶点缓冲中邻近的子区域，并把它作为宽度为n，高度为1的2D渲染目标，子区域的最大宽度为8K个元素。

         流输出的特性提供了交替（alternative）处理连续1D输出的能力。流输出的特性之一就是支持丰富的输出格式，举个例子来说，可以输出相当于每个顶点16 x 4x float32个元素的数据，也意味着更大的缓冲（128MB vs. 128KB）。流输出不支持随机访问（分散scatter）输出流中的数据，相反渲染目标的方法却可以，通过绘制点和使用VS修改渲染目标点坐标的方法来控制寻址。出于这些原因，两种方法都是很有用的。

         为了支持重复计算，根据资源将会连接到图形管道的哪一个约束点（bind points），我们放宽了资源系统规定参数（constraints）的范围（i.e IA buffer, VS/GS/PS texture, SO buffer,以及OM render targets），并把view作为适配器（e.g 渲染到一个单独的mipmap层次，或者3D纹理中的2D片）。然而，这些适配器并不是完全通用的：2D资源不能当作1D资源来处理，由单一元素组成的同族资源不能转变为非同族的资源，比如多元素顶点缓冲。这些限制主要是为了防止对整个资源结构的多重定义（reinterpretation），以便硬件实现优化储存层次。同样，同一资源不能同时作为输入和输出数据的限制仍然存在。

3.2 储存格式

         虽然在着色器上操作的都是32-bit的数据（浮点或者整数），但是我们提供了丰富的数据储存类型来减少内存占用以及带宽。如果数据类型不是8-bit的整数倍，那么将被和其他类型的数据打包到一起，组成8-bit的整数倍数据。几乎可以使用所有格式来处理顶点缓冲，纹理，流输出（使用手动转换和打包），以及渲染目标。下表列举了这些数据类型。

        

         Unorm，snorm，以及float16（half）是已经被广泛使用的格式。虽然float16对高动态范围（hight-dynamic range）图片的应用很有吸引力，但他需要消耗过多的储存空间，以及内存带宽。Direct3D 10提供了两种可选的32-bit打包方式：两个float11（R，G）和一个float10（B）的组合，以及一种共享指数?（shared-exponent）的格式—R、G、B每个元素9-bit，指数5-bit。这些类型被限制为正数，可以提供与float16一样地动态范围（10个数量级 order of magnitude）。对于低精度的情况来说，11-11-10的格式是渲染HDR颜色数据的目标（destination）格式，而共享指数的格式则被限制为用来进行纹理操作的源格式。共享指数的格式使用了一种比较复杂的编码方式来避免人工效果（artifacts）,因此被限定为只读的。

         除了这些简单的压缩格式之外，Direct3D 10还增加了一种4x4 texel block compression (S3TC) 格式。这种格式一到四元素的版本，分别可以提供8：1，6：1，以及4：1的压缩率。包含三到四个颜色元素的格式适合于低动态范围（low-dynamic-range）颜色，而二个元素的格式则适合于切线空间的法线图数据。

3.3设计考虑

         另外还有几个构架设计决定也是值得讨论的。

         与前一代的技术相比，Direct3D 10要求所有特性都必须由硬件来实现。但其中有两个例外的地方：代价昂贵的32-bit浮点纹理过滤，以及包含多采用（multisampler）抗锯齿的渲染纹理格式。这增加了实现提供者的负担，但也反映出应用程序开发者更注重性能，而不是如何解决特性难题。强调硬件对重要格式的支持，增加了他们支持各种不同应用程序的可能性。

         从管道与核心API中移除了所有可以通过可编程体系实现的传统固定管道功能。包括顶点变换，光照，点精灵，雾，以及alpha混合。虽然使用软件可以轻易模拟固定功能的特性，但我们相信为了减少复杂性，应该通过其他的库来实现这些功能，而不是核心API。

         尽管我们对管道进行了比较大的改动，但固定管道中一些重要的部分仍然存在。在早期的考虑中，我们曾希望把IA也作为完全可编程的部分，允许实现复杂的索引风格或者顶点布局（layouts），但最终我们认为这些额外的复杂性不一定是有用的。相反，VS的内存读取功能允许在VS中实现复杂的索引方案（indexing schemes）；事实上，可以只计算顶点的id，而不从IA中读取任何数据。不管怎样，出于性能的考虑，我们仍然保留了一个强大的IA，它在管道中的位置和功能可以为硬件在管理与顶点相关的内存通信时提供便利。

         对于GS来说，涉及到许多复杂的设计问题。其中，比较重要的管道性能权衡之一，就是在保持顺序操作的情况下实现并行。GS保留了输入数据的顺序，因此，多个并行执行的GS单元不能发射出超出顺序（out of order）的图元。这需要对并行的实现做一些变化：缓冲他们的输出，按照输入顺序依次处理整个缓冲。高效的缓存管理，可以根据输出数据的上限，以及GS程序的能力，来指定一个较小的（译注：缓冲）界限（bound）。1024个32-bit值的最大限度（ceiling）是硬件代价和有效放大率（amplification）的折衷，比如，挤出（extruding）三角形的边。毫无疑问，使用GS来进行更大的尺度缩放——比如镶嵌（tessellation）——是很有诱惑力的，但是，我们预料这将会导致性能的迅速降低。

         在应用中，GS包含了和RS同样多的功能。虽然我们希望GS执行族划分（homogeneous devide），观察变换，等等。但在这些操作之前进行剪切是不切实际的，因此，在剪切时，GS－RS进行了划分。GS执行一些剪切设置，e.g 计算顶点到模型剪切平面（model clip－plane）的距离，之后，连同顶点在裁剪空间的坐标，一起传递给RS。由于没有精确定义过固定功能的RS顶点处理精度和准度设置，因此对GS来说，虽然误差不大，但无法精确模拟变换，来产生图片空间（image－space）的坐标。这限制了GS的通用性，无法实现一些基于图元的图片空间坐标的算法。

         最后，固定功能对OM的限制也是经常讨论到的。OM单元是唯一的同时支持内存读写（read-modify-write）的阶段，这也是可编程单元经常需要使用的特性之一。有人曾提出把OM的功能合并到PS中。但是，管理复杂管道要承担的风险，以及最大化内存系统的效率的需求，都没有理由证明这种合并是有必要的。由于PS的计算都是在像素片断上执行，而混合（blend）操作是基于采样来计算，因此，多采样（multisampling）进一步复杂化了结构。促使PS依据采样粒度来执行，对性能有重要意义。此外，使用提前的depth和stencil遮挡优化，也能极大的提高性能。

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这一部分好难，有些地方我看的也不是太明白，可惜也查不到其他资料。

总之不清楚的地方还以原著为准。