微軟DirectX 12 Ultimate解讀 到底有哪些變化

微軟已經(jīng)推出DirectX 12的最新升級(jí)版——DirectX 12 Ultimate，這可以說(shuō)是DirectX 12從2015年正式上線以來(lái)最為重大的一次更新，它加入了許多新的特性，實(shí)際上其中的部分特性已經(jīng)在去年十月份已經(jīng)預(yù)告過(guò)了，原本它應(yīng)該會(huì)作為Direct3D 12 Feature Levels 12_2出現(xiàn)的，不過(guò)這次微軟改名部上線了，給新版本DirectX 12加了個(gè)“Ultimate”的后綴，那今后比DirectX 12 Ultimate更強(qiáng)的新版本會(huì)叫什么呢？

首先DirectX 12 Ultimate中新增的特性主要有四大塊，分別是DirectX Raytracing 1.1、可變速率渲染、Mesh渲染器和采樣器反饋（Sampler Feedback）。

DirectX Raytracing 1.1

DirectX Raytracing（DXR）是微軟在2018年為DirectX 12引入的新特性，讓它支持實(shí)時(shí)光線追蹤處理。1.0版本的DXR在軟件特性上比較基礎(chǔ)，可以說(shuō)它是圍繞著Turing架構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)的，當(dāng)時(shí)也沒(méi)有從軟件開(kāi)發(fā)角度去考慮如何實(shí)現(xiàn)光追。而1.1版本擴(kuò)展了DirectX 12在光線追蹤方面的軟件特性，讓它的效率更高，同時(shí)對(duì)開(kāi)發(fā)者也更友好。主要有三點(diǎn)：

允許GPU直接調(diào)用光追

跑在GPU上面的著色器在1.1版本中可以直接調(diào)用光線追蹤，而無(wú)需折返CPU來(lái)調(diào)用。這項(xiàng)功能對(duì)于自適應(yīng)光線追蹤場(chǎng)景非常有用，尤其是在基于著色器實(shí)現(xiàn)的剔除、排序、分類(lèi)和細(xì)化等場(chǎng)景中?；旧辖窈蟮墓饩€追蹤工作可以在GPU上面準(zhǔn)備并立即生成。

按需加載光線追蹤著色器

當(dāng)玩家在游戲世界中移動(dòng)、新的物件變?yōu)榭梢?jiàn)的過(guò)程中，流式引擎可以根據(jù)此時(shí)的畫(huà)面需求來(lái)加載新的光線追蹤著色器，提高處理過(guò)程的效率。

內(nèi)聯(lián)光線追蹤

內(nèi)聯(lián)光線追蹤（Inline raytracing）是目前基于動(dòng)態(tài)著色器的光線追蹤的一種替代形式，你可以將其理解為一種簡(jiǎn)化的光線追蹤。開(kāi)發(fā)者在內(nèi)聯(lián)光線追蹤過(guò)程中將有更大的控制權(quán)，并且可以在任意的著色階段調(diào)用它，包括計(jì)算著色和像素著色階段。它與傳統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)著色器的光線追蹤可以混合使用，對(duì)于簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，內(nèi)聯(lián)光線追蹤將會(huì)提供更好的性能表現(xiàn)，而在復(fù)雜場(chǎng)景中，基于動(dòng)態(tài)著色器的光線追蹤將會(huì)提供更好的運(yùn)行效果。

可變速率著色

可變速率渲染（Variable Rate Shading）是一項(xiàng)由NVIDIA在其Turing GPU上率先引入的加速著色特性，具體介紹可以看我們的課堂文章：《超能課堂（212）：VRS可變速率著色為什么可以提高幀數(shù)？》，這邊就簡(jiǎn)單講一下它的原理，而不再贅述細(xì)節(jié)了。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，VRS的原理是通過(guò)改變單次像素著色器操作所處理的像素?cái)?shù)量，來(lái)改變屏幕不同區(qū)域的著色質(zhì)量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它可以改變同個(gè)畫(huà)面中不同部分的渲染精細(xì)度，它的用處是提高畫(huà)面幀數(shù)。

在不開(kāi)啟VRS的情況，也就是正常情況下，一幀畫(huà)面的所有像素都是獨(dú)立著色的；而開(kāi)啟VRS之后，原本獨(dú)立的像素被分成了一個(gè)個(gè)像素塊，它們會(huì)共享著色結(jié)果，此時(shí)GPU會(huì)根據(jù)程序員設(shè)定的重要性分級(jí)為所有像素塊分配不同的著色精細(xì)度。拿上面的圖片為例，車(chē)輛和遠(yuǎn)景部分的像素仍然是獨(dú)立著色的，但快速變動(dòng)的道路和路邊的像素塊就是區(qū)塊共同著色的，此時(shí)由于顯卡的計(jì)算資源得到了節(jié)約，所以游戲的幀數(shù)會(huì)有所提高。

在NVIDIA以外，Intel已經(jīng)在Ice Lake處理器中的第11代核顯中加入了針對(duì)VRS的支持，而AMD方面則暫時(shí)沒(méi)有相關(guān)支持，不過(guò)他們也已經(jīng)宣布將會(huì)在RDNA 2架構(gòu)中加入相關(guān)支持。

Mesh著色器：下一代幾何處理管線的基礎(chǔ)

在過(guò)去的二十年中，傳統(tǒng)的幾何圖形處理管線已經(jīng)增加了好幾個(gè)階段了，不過(guò)它的核心理念仍然基于傳統(tǒng)的光柵化預(yù)著色方法的，放在今天已經(jīng)過(guò)于復(fù)雜，并且拖累處理效率。硬件和軟件開(kāi)發(fā)者都希望改變這一現(xiàn)狀，于是，DirectX 12引入了Mesh著色器，它為開(kāi)發(fā)者提供了前所未有的可編程能力。

原本的管線中，GPU硬件的并行能力被隱藏，或者說(shuō)是被自動(dòng)化了，硬件會(huì)幫助打包操作然后并行執(zhí)行它，這很高效，但也存在問(wèn)題——靈活性不夠。

Mesh著色器就完全改變了這一過(guò)程，它不再是針對(duì)單一頂點(diǎn)或圖元的單一函數(shù)，而是工作在整個(gè)計(jì)算線程組中。在某一階段中，Mesh著色器的每個(gè)線程都是針對(duì)一個(gè)頂點(diǎn)，而在另外一個(gè)階段，每個(gè)線程針對(duì)著一個(gè)圖元。整個(gè)線程組的內(nèi)存是共享的，訪問(wèn)靈活度很高，同時(shí)開(kāi)發(fā)人員對(duì)硬件的控制權(quán)也更大，甚至還能啟發(fā)新的技術(shù)，節(jié)約內(nèi)存使用量和內(nèi)存帶寬。

與Mesh著色器一同出現(xiàn)的還有一個(gè)可選的放大著色器（Amplification Shader）階段，它運(yùn)行在Mesh著色器之前，計(jì)算得到需要多少個(gè)Mesh著色器，并啟動(dòng)他們。

采樣器反饋

最后一個(gè)大特性就是采樣器反饋（Sampler Feedback），先說(shuō)效果：更好的視覺(jué)質(zhì)量、更短的加載時(shí)間和更少的卡頓。它的核心思想實(shí)際上就是讓程序只加載必要的紋理，把資源交給更有需要的地方。

采樣器反饋是允許游戲引擎去跟蹤紋理采樣器的使用方式，讓后者向引擎提供反饋，方法是生成“反饋圖（Feedback Map）”，它會(huì)記錄不同紋理區(qū)域的不同駐留等級(jí)，然后程序可以根據(jù)這些反饋信息來(lái)做決策——包括該如何使用紋理采樣器和要在顯存中保留哪些資源等。這比原先的流程更為精確，可以更好地分配計(jì)算資源。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它的實(shí)際效果就是用更少的顯存渲染更大、更詳細(xì)的紋理。

另外，采樣器反饋還允許了一項(xiàng)新技術(shù)——紋理空間著色。它可以在不柵格化對(duì)象的情況下進(jìn)行對(duì)象著色，其中心目的就是緩存和重用著色結(jié)果，減少GPU的計(jì)算量。

總結(jié)：面向新圖形架構(gòu)和下世代主機(jī)

在微軟推出DirectX 12 Ultimate之后，NVIDIA和AMD就迅速地宣布已經(jīng)/將要支持它，實(shí)際上，DirectX 12 Ultimate的絕大部分新特性可以說(shuō)是基于Turing架構(gòu)來(lái)的，NVIDIA在設(shè)計(jì)Turing架構(gòu)時(shí)可能預(yù)留了相當(dāng)部分的新特性是沒(méi)有公開(kāi)的。而AMD方面在目前只能說(shuō)是一個(gè)跟進(jìn)者，要用上新特性，首先要等到年底的RDNA 2架構(gòu)。

DirectX 12 Ultimate的這些特性很明顯有兩個(gè)共通的目標(biāo)，一是提高開(kāi)發(fā)者對(duì)硬件的控制力，二是提高總體計(jì)算效率。這也是為下世代主機(jī)——Xbox Series X和傳說(shuō)中的Xbox Series S所準(zhǔn)備的，很難說(shuō)我們要等多長(zhǎng)時(shí)間才能看到這些特性被應(yīng)用到實(shí)際游戲中去——至少今年是看不到的，需要等引擎開(kāi)發(fā)商、游戲開(kāi)發(fā)者對(duì)新世代主機(jī)做適配或者做專(zhuān)門(mén)性的開(kāi)發(fā)后，我們才能在PC游戲中也看到這些技術(shù)的運(yùn)用。

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