CSFave: [教學]次世代的新圖像技術介紹Shader Model 3.0(PS3/360對應)

Shader Model 3.0(一)
　　所謂的Shadel Model是Microsoft包含在DirectX9的繪圖技術，其中又可分為Pixel Shader(像素渲染)和Vertex Shader(頂點渲染)，而版本從最早的1.1到2.0，再到2.0 Extended，再到目前最新的3.0版。Shader Model 2.0具有先進的光影和動畫繪製技術，在正式發表之後，硬體和軟體各方面支援都成長得非常快速，但是Shadel Model 2.0還是有其侷限性，在指令長度的限制和複雜性方面，仍然不能讓多數的遊戲程式撰寫者滿意，也因此到了DirectX9.0c正式推出的時候，Shader Model也跟著從2.0版演化成3.0版了。那麼，Shader Model 3.0相對2.0又增加了那些新要素呢？以下就讓我們分別從Pixel Shader 3.0和Vertex Shader 3.0這兩個部分來看看。Pixel Shader 3.0　　在正式討論Pixel Shader 3.0(PS 3.0)之前，我們可以先看看下圖的Microsoft官方網站上為PS 3.0和PS 2.0所做的歸納比較表。

上面的表格牽涉到許多非常專業的繪圖技術(其實仔細比較一下2.0跟3.0的規格，可以發現到3.0的規格看起來是好上許多的)，大部份的東西其實只要交給繪圖程式設計師煩惱就好，其中比較有必要討論的還是在Shader length(渲染程式指令限制)、Dynamic flow control/Dynamic branching(動態流程控制/動態分支選項)，以及Multiple Render Targets, MRT(多重著色目標)等項目，另外還要再加上一個表上沒有提到的Predication(預測)。

Shader Length─我們可以從上面的表格發現PS 3.0的Shader可支援的指令個數，從96個大幅躍升到65535個以上，這意味著PS 3.0可以進行更複雜的繪圖指令演算，容納更多的光影及材質運算，讓程式設計師有較少的限制，而能發揮更多的彈性。不過這部份的技術較受限於硬體支援，較低階的顯示晶片未必能完全發揮這個部份的能力。

Dynamic flow control/Dynamic branching─Dynamic flow control不僅可以直接省略許多非必要的程式運算，也可以略過許多不需要用到的指令，而減少指令集的長度，增進顯示晶片的運算效率。而Dynamic branching則以類似的原理達到增進效能的目的，例如假設在一個畫面裡有多個不同光源變化的話，利用Dynamic branching的技術，就不需要為每個光源撰寫不同的控制程式，只要寫好一個控制程式再加上不同的控制選項就可以了，如此也可以大幅減少顯示晶片的運算負擔，提高運算效率。

Multiple Render Targets, MRT─MRT可以在所有物體模型完成著色後，再進行光影的計算，如此就不用重複計算場景了；另外，在場景中看不到的物體模型也會被略過不再計算，這樣也可以減少許多不必要的程式運算。

Predication─Predication基本假設在於，如果在某個情況下可能會運用到多筆的資料，與其預測哪一筆資料會被真正的運用，不如把每一個可能的資料都拿來處理，再把正確的資料送到顯示晶片繼續之後的運算。其用意在於，雖然一一處理每個具可能性的資料會較耗費運算資源，但仍會比用預測的方式來的有效率，不過這種方式能否真正提高效率，仍然有待觀察

Shader Model 3.0(二)Vertex Shader 3.0

同樣的，我們先來看看Vertex Shader 3.0(VS3.0)和VS2.0的歸納比較表，從上表來看VS 3.0新增的幾項特色，在Shader length和Dynamic branching的部份，其所代表的意義，其實和PS 3.0是一樣的，在此就不多所贅述，所以接下來只針對Vertex texture和Instancing support來做說明。　　在之前的Shader Model版本，Vertex Shader是不能直接存取材質資料的，但是在VS 3.0裡卻是可以的，也因此VS 3.0可以進行所謂的位移貼圖(Displacement mapping)，也就是藉由同時處理頂點(Vertex)與材質資料，為場景中的每個元件、表面、以及角色提供更高的層次感與逼真度，而這同時也可讓程式撰寫人員以較少量的運算，針對物體模型進行細部的修正。這種技術在畫面品質的增益上，就表現在能夠讓水波或衣服等的物體，具有更自然的波動和質感。

以6800 Ultra(PCI-E)執行Far Cry 1.2的水面場景截圖　　

另外一個新增的Instancing API支援部份，則是可以讓程式撰寫者在單一的基礎模型下，做不同的細部變化，而產生大量類似但仍略有差異的模型。例如，在一個森林的場景裡，常常是以大量相似的草或樹組成，如果具備Instancing API支援的話，就不需要一棵一棵的處理，只要以一棵樹為基礎，加上不同的位置、高度、枝葉形狀、顏色等參數變化，就可以變化出一大片樹林，可想而知，這當然可以讓程式設計師省了好大一番功夫。

以6800 Ultra(PCI-E)執行Far Cry 1.2的森林場景截圖

ShaderModel 3.0對遊戲執行的意義　

　我們從上面的解說來看，其實Shader Model 3.0所加強的部份，大部份集中在讓遊戲執行更有效率，以及讓程式設計者可以以較少的程式撰寫心力達到同樣的執行結果，這些部份對程式設計師而言可能較有意義，但是對於遊戲玩家可以親身感受到的畫質增進部份，Shader Model 3.0其實著墨不多。不過在遊戲玩家同樣會注重的遊戲執行速度方面，有了Shader Model 3.0內含的多項新技術的加持，相信會帶給玩家一個令人滿意的表現。　　我們之前有提到，兩大顯示晶片商中，目前只有nVIDIA的GeForce 6系列有支援Shader Model 3.0，因此GeForce 6系列擁有與Shader Model 3.0相容的CineFX 3.0引擎，也就成為nVIDIA所要凸顯的，領先競爭對手的優勢之一。而當初ATi因為認定支援Shader Model 3.0的遊戲軟體短期內不會很多，而決定不加入支援Shader Model 3.0的策略，在首款支援Shader Model 3.0的遊戲─Far Cry 1.2版正式面世之後，是否會跟著動搖呢？(ATi的認定真的是...，不曉得在想些什麼)　　測試結果會說話，就讓我們拿兩家廠商目前最頂級的顯示卡─nVIDIA的6800 Ultra(NV45)和ATi的X-800 XT(PCI-E)，實際執行Far Cry 1.2來測試看看，Shader Model 3.0究竟能對遊戲執行表現造成多大的影響，也藉此來驗證ATi在Shader Model 3.0方面的決策是否能夠經得起考驗。測試方式及測試平台說明　　這次測試的兩大主角，分別是nVIDIA的6800 Ultra(NV45)和ATi的X-800 XT，兩者皆為PCI-E界面，頻率皆為原廠設定值，以下分別列出兩款顯示卡的頻率資訊，並列出在與Far Cry測試平台相同的情況下，3DMark03的測試分數，以供各位玩家參考。(還沒Run Far Cry就已經看到3DMark 03下的成績比對，看來X800 XT略遜一籌)

nVIDIA 6800 UltraV.S.ATi X800 XT

在正式測試之前，必須要先說明的是，Far Cry 1.2支援的Shader Model 3.0，是包含在DirectX9.0c裡，因此玩家們如果要以Shader Model 3.0執行Far Cry的話，除了必須把Far Cry升級到1.2版外，也必須下載DirectX9.0c，才能親身體驗Shader Model 3.0的威力。　　而這次的測試是以batch檔執行的方式，一次跑四個場景，測試每個場景的平均FPS數值。比較特別的是，因為遊戲在首次執行新場景時，必須先載入場景資料，所以每一個場景都會連續跑兩遍，所有的測試結果也都是採用同場景的第二次測試數據，以資公平。這次測試的四個場景，分別是室內場景的Regulator和Volcano，以及室外場景的Research和Training，各自有不同的光影和貼圖需求，因此測試結果也有其差異性。　　這次測試所使用的平台配備，以及四個測試場景的截圖，則分別表列如下：
CPU
Intel Pentium 4 550XE 3.4GHz(LGA775、2MB L3 Cache)
Mainboard
Gigabyte 8ANXP-D(i925X)
Memory
Corsair DDR2-533 512MB*2=1GB
H.D
WD360 10,000RPM 8M S-ATA
O.S and Patch
WinXP SP2、DirectX 9.0c
Driver
nVIDIA Forceware 61.80、ATi Catalyst 4.7

測試結果　　在看測試數據之前，我們先來看一下，在遊戲解析度設定為1600X1200、Anti-aliasing(AA)為4X以及Anisotropic filtering level(AF)為8，並且把遊戲內定的所有畫質相關選項都調成Very High的最佳情況下，兩張頂級顯示卡的截圖比較。　　不過正如之前所提到的，Shader Model 3.0在畫面品質方面的增益並不太多，況且在兩張頂級顯示卡的超高顯示能力一催之下，畫質的表現幾乎都沒什麼差別，一樣都是漂亮到不行，因此這次測試的重點，並不在於畫面的品質，而是在效能增進的差異。