3d世界尽在掌握!―― directx 8.1/9 graphic 全解析

3d世界尽在掌握!―― directx 8.1/9 graphic 全解析
2011年04月03日
　　学无止境，把这几年收藏的文章都晒出来，大家共享吧! 声明：早期转载的文章未标明转载敬请原谅，以后将陆续改过来，向原创者致敬！ C++ , Direct3D, OpenGL, GPU,OGRE,OSG,STL, Lua, Python, MFC, Win32 (有问题可留言，部分网页看不到图片可网页另存为到本地再打开即可看到) 痞子龙3D编程 QQ技术交流群:32103634
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　前言：
　　在我们日常游戏中,很多朋友经常挂在嘴边一个：directx。.几乎100%的喜欢玩游戏,特别是fps 3d射击游戏的朋友都要遇到directx安装和设置的问题。不过，很遗憾的是，有超过70%的用户对directx的含义，特别是direct 3d的内容一无所知，问到他们的时候，他们也只能用："directx是用来玩游戏的。"这种很不成熟的解释来回答。那么，我们就在这里向那些3d游戏玩家们彻底揭开directx graphic的秘密。本文分成两个部分，一个是技术分析部分，在这一部分里，我会给大家详细介绍directx graphic的工作流程，主要特效函数的功能，同时，会用目前主流的directx 8.1和微软即将发布的directx 9做一个graphic的对比，对比之后，大家应该能看出最新一代的directx 9的革命性变化。第二部分是实战directx graphic。在这里我会跟大家详细介绍directx 8.1下可编程顶点着色和象素渲染的作用，同时，搜集了市面上能够见得到的所有direct x8.1显卡的数据（当然，这里面还有很多directx 7时代的东西），给大家做个介绍。我还会帮大家挑选适合自己的directx版本，要知道，用tnt2的人安装directx 8.1会出现很多问题。最后，教给大家安全卸载directx的方法。ok！ now，let's go！    第一节：directx的出现，改变了电脑多媒体的历史
　　在微软没有推出directx之前，硬件，特别是图形卡生产商每次生产新的显卡之前，都要花大量人力物力来做硬件兼容性测试，以达到最佳的兼容性效果。而这种工作是既无聊，又花费了很多功夫。directx的出现彻底把硬件厂家从这种繁重的劳动中解脱了出来，因为微软的directx拥有一个hal(hardware abstraction layer，硬件提取)功能可以直接让游戏、软件程序和硬件来进行数据传输，从而改变了硬件之间兼容性的问题。directx技术直接对hal的操作，实现视频、声音的输出、网络通信及对游戏摇杆的控制。在directx中还有一个hel (hardware emulation layer，硬件模拟)功能，在它的帮助下可以用你机器中现成的硬件设备模拟成为其它的部件，比如用软件实现3d加速。
　　此外，我们知道，以前的游戏开发者往往对自己的游戏在格式各样的硬件平台上顺利运行绞尽脑汁，硬件有关性越强，游戏的开发效率就越低，因为没有人为了玩一个游戏而去重新购买一套新机器。但是，一旦游戏开发存在硬件无关性，那么这些游戏公司就能把更多的精力投入到游戏剧情和画面的优化上去。这是一件好事。也许很多资深游戏玩家还记得voodoo，1996年，voodoo的出现造成了计算机工业的一次伟大变革，人们第一次看到以往只能在图形工作站上看到的画面也能出现在自己的奔腾上。这不但得益于voodoo本身的硬件设计，更得益于3dfx的游戏api：guild。有了这套api，任何游戏开发者都能利用现成的特效函数开发出自己需要的游戏特效，这比以前自己写要方便许多！我在这里就不想谈voodoo的guild和d3d之间的恩怨了，因为篇幅有限，不过从3dfx的没落上我们也能看出，任何不跟微软走的桌面设备提供商，往往结果都很惨，在这点上，nvidia显然要比3dfx高明许多，要不是voodoo3的重大失误（不支持oepngl，糟糕的d3d驱动和不支持agp），现在称霸的可能还是3dfx。
　　于是乎，我们从voodoo身上可以看到，拥有一套强大的，完善的图形编程接口，对于api制订者来说是至关重要的，为此，微软发明了direct 3d！并且获得了广泛的支持。  
　　第二节：全面支持可编程顶点着色和象素渲染的directx 8.1 graphic 
　　如果我没记错的话，3d mark2000的发布使人们对图形卡达到了前所未有的热情，我还记得当年电脑城里面全民benchmark的壮观景象！这一切，都源于directx 7，提供的全新t&l（几何变换和光源照射）引擎，不过t&l游戏到2002年我们才看到。到了2000年11月9日，微软发布的directx 8.0对gpu运算进行了大刀阔斧的改革，特别是3d渲染流水线和以前的direct 3d 和direct draw单元。这是direct x8的新变化： directdraw 和 direct3d 完整集成  可编程顶点处理语言 可编程像素处理语言 多重采样渲染支持 点对象 三维立体纹理 更高阶的图元支持 针对各种 d3d 的三维内容创建工具支持  带索引的顶点混色 扩展的 direct3dx 工具库  整合direct3d和directdraw  我们注意到。directx graphics 的一个最显著的变化是将 directdraw（二维图形接口）和 direct3d（三维图形接口）合并为一个公用接口。direct 3d和direct draw实际是两个dll函数，direct draw负责图形卡的2d运算，而direct3d主要负责3d场景运算。在directx 7下， directdraw 和 direct3d 一直相互交叉，因此，将它们划分为两个独立的接口越来越不适应发展。新的集成简化了 direct3d 核心的初始化和控制，使这些操作更加简单。这种变化不仅简化了应用程序的初始化，而且改进了数据分配和管理的性能，从而减少了内存的占用。合并接口的另一个原因是 directdraw 的开发几乎完全停止了，在 directx 6.0 和 directx 7.0 中对它所作的修改仅仅是稍作美化。
　　全新的图形加速概念：可编程顶点着色器和可编程象素渲染
　　我们先来看看directx 8.1graphic的体系结构图：
　　
　　可以看到，directx 8.1引入了一个全新的概念，那就是shader，翻译过来就是阴影的意思。在directx 8.1技术资料中，微软把它成为可编程光影。他通过两种方式实现光影特效，就是我们经常说倒的geforce3/4的特有特效：可编程顶点着色渲染和可编程象素渲染。在上图中，分别对应顶点着色器（vertex shader）和象素着色器。(pixel shader)顶点着色渲染可以用在非常复杂的贴图、程序实现的几何变换和矩阵式调色版皮肤贴图中。比如我们看到的3dmark2001下的neture场景，象素着色渲染则可以实现很多让我们很惊奇的效果，比如nvidia的geforce4 ti4600演示demo：wolfman。nvidia通过nfinitefx 2几何处理流水线在硬件上实现这两种渲染，下面就是狼人的截图：
　　
　　我们可以看到以前我们很难看到的有趣效果，那就是狼人身上的毛发，经过象素渲染之后，狼人比以前的3d模型看起来更加真实，下面是狼人骨架，左边是没有经过象素渲染处理的，右边是经过象素渲染处理的，可以看到区别非常明显，右边的狼人身上的毛发非常逼真。
　　
　　在这里我又要重提api，大家可以看到，利用direct x 8提供的direct 3d函数，nvidia，ati这样的图形卡厂商能设计出用来实现这种特效的硬件，而游戏开发者完全不用考虑客户使用的是nvidia的geforce4 还是ati的radeon9700，这就是directx带来的硬件无关性变革。
　　下面我们来看看directx 8.1的3d处理流水线：
　　
　　这张图可能大家在很多地方都看过，尽管nvidia的geforce4 和atiradeon8500在内存控制上有所不同，但在几何处理流水线上，是严格按照微软directx 8.1的标准设计的。由于篇幅限制，我就不对这副图多做介绍了。我只在这里提一下directx 8.1的一个重要特性：4重纹理贴图。
　　做为directx 8.1的最重要特性，4重纹理贴图将会使你的3d模型看起来更加真实，在这里我用一副鱼的图片来说明：
　　
　　这是matrox演示parhelia512的时候用来解释4重纹理贴图的一个示意图，我们知道，对于一个3d物体来说，你建立了基本的骨架是不够的，还需要贴图。一个简单的道理，一个3d物体，他的纹理图层越多，那他看起来就一定越真实。direct x8.1的象素着色渲染支持4重纹理贴图：我们可以看到这条鱼是由normal，decal，specular，caustic四种纹理组合而成，明显比以前2重纹理看起来真实的多。
　　第三节 directx 9 graphic前瞻：恐怖的几何处理流水线！
　　到目前为止，我们对directx 9.1（这是他的正式版）还是一无所知，不过从beta1中，我们可以看到directx 9恐怖的，令人窒息的几何处理流水线，下面是directx 8.1和directx 9 graphic架构对比图：
　　
　　可以看到一个最最明显，也是最让我们吃惊的地方，那就是directx 9去掉了对hardware 
　　t&l的支持，不过这并不意味着一块directx 9的图形卡在纯directx 8的测试里面就会一败涂地。因为在vs和ps面前，t&l实际没有任何存在地价值，而且，为了实现t&l，gpu设计厂家需要另外加上很多晶体管，在目前gpu制造工艺只能在0.15微米工艺的情况下，像matrox，ati能把将近一个亿的晶体管塞进一个薄薄的硅片就已经是很不容易的事情了，如果在加上2000万晶体管用来实现t&l,那我们很可能到明年也看不到radeon9700或者幻日。此外，我们注意到了那四个vertex shader（可编程顶点着色器）引擎, 那四个vs引擎是并行处理的，在matrox parhelia512中，单vs采用了128位，4个并行处理可以达到前所未有的512位gpu位宽。不过，要用实现用4个vs阵列来模拟t&l，这对硬件设计本身是个极大的考验! 弄不好就会导致在t&l的游戏中性能非常低下。同时，directx 9的vs和ps版本将升级到2.0，这意味着比directx 8.1中的vs1.1和ps1.3具有更加复杂，强大的顶点数据处理和象素渲染能力。在directx 9中，增加了流程控制技术，每个流程可处理的vertex shader指令高达1024条。此外，directx 9的pixel shader引擎可以使文理贴图达到前所未有的8层！此外，由于在3d运算中，用到了大量浮点运算，因此，direct x9要求gpu设计者加入对128位浮点渲染精度的支持，为此，ati已经率先在radeon9700中加入和专门的浮点运算单元： 
　　
　　上面是ati radeon9700核心示意图，可以看到fppu（浮点象素单元）占到了很大的空间，radeon9700采用了全程128位浮点渲染精度运算。不过nvidia的cinefx（将会用在nv30上）可以实现64位/128位 浮点渲染精度，比ati更胜一踌！（下面是directx各期版本对vs，ps引擎支持情况，directx 9采用了全程128位精度象素渲染运算，比direct x8.1的整数效率提升很多） 
　　
　　除此之外，directx 9还有一个非常重要的特性，那就是硬件位移贴图：（hardware displacement mapping）。这是matrox自己研发的技术，被微软整合进了directx 9，成为一个业界标准。硬件位移贴图是一种强劲而简单的3d物体实时计算的新方法。，用以演绎和绘制复杂的3d几何图形。深度适配顶点镶嵌和顶点纹理技术，加上重组基础网面与位移贴图，可以营造一个非常真实的3d图形。硬件位移贴图技术支持贝兹曲线（bezier curve）和n-patch表面引擎；其使用纹理贴图为动态几何图形进行顶点纹理贴图；支持细节层级（lod）几何图形、深度适配镶嵌（depth adaptive tessellation）以及高分辨率几何图形数据压缩编码。详细介绍我以前在幻日核心解析里面谈过，就不多说了。
　　第四节：directx graphic的深刻变革，就在directx 10！ 
　　到目前为止，我们始终在研究可编程顶点着色和象素渲染，我们可以看到，在directx 8和directx 9中，这两个单元是分开来的，也就是说，gpu生产厂家需要在gpu中划分两个区域来存放vs阵列和ps贴图流水线，那么，有没有可能把这两者整合在一起那？有！答案就是directx 10！ 不过directx 10对于我们来说实在是太遥远了，我们只能看到她大概的模样！ 
　　
　　
　　左边是我们即将看到的directx 9 graphic，右边是简洁的不能在简洁的directx 10 graphic！可以看到，当我们用tessellator（directx 8的新技术，旨在构架3d基本网面）构架出我们的基本模型之后，进入顶点着色渲染和象素渲染贴图部分，出来的3d物体经过全新的全屏抗锯齿技术处理后就得到了栩栩如生的3d造型。不过，越多的处理单元就会越发加重gpu厂商的设计难度，因此，directx 10引入了integrated shader的概念，通过一个整合了vertex shader（可编程顶点着色渲染），multitexturing（多重文理贴图），    pixel shader（可编程象素渲染）的integrated shader（可编程整合光影处理器）来完成所有的工作，这意味着gpu厂家可以用更小的核心来实现现在需要用8000万甚至更多晶体管才能实现的功能，也意味着gpu厂家可以花更多精力去研发更新更有趣的功能，可以预见，第一块directx 10的图形卡给我们造成的震撼绝不亚于当年的voodoo！
　　挑选正确的directx 版本:  在平时和很多电脑爱好者的接触中,时常会听到他们反映这样一个问题,那就是:"我装了directx 8.1,但为什么打游戏速度比7.0还要慢? 而且很不稳定?"要回答这样一个问题,我们首先来看看历代图形加速卡从硬件上对directx支持的情况: 
　　directx 6时代： 
　　代表显卡：nvidia tnt2系列，matrox g400系列，s3 的savage3d/4系列，3dfx的voodoo3/4系列，ati rage系列 
　　directx 7 时代： 
　　这个时代的图形卡具有一个重要的特征，那就是必需要在硬件上支持t&l（几何变换与光源照射），代表显卡有： 
　　nvidia geforce256，geforce2 mx/ti ，ati radeon7000/7200/7500  
　　directx 8.1时代: 
　　在我们全面走入directx 8.1的时候，我们必须知道能够完全支持directx 8.1的显卡的重要特征：有一个完全可编程的gpu，完全支持t&l ,支持vertex shader1.1和pixel shader1.3，支持环境映射贴图，支持4重纹理贴图，拥有一个成熟的全屏抗锯齿引擎。代表显卡有： 
　　nvidia geforce3 geforce4 mx/ti ,ati radeon8500/9000，sis xabre系列，matrox g550 
　　directx 9时代： 
　　可以说这是一个承前启后的时代，做为完全支持directx 9的显卡，必须具有以下特征： 拥有一个完整的浮点运算单元，拥有一个或者多个128位vertex shader渲染阵列，完全支持pixel shader和8重纹理贴图，支持硬件位移贴图技术，支持directx 9流程控制技术和全程浮点运算等等，由于directx 9的具体规格微软还没有发布，所以现在业界传闻很多，就在大家看到这篇文章的上篇的时候，微软又传来消息，说是现在所有的号称支持directx 9的显卡可能都不能完整支持directx 9，因为微软要把vertex shader和pixel shader版本升级到3.0 ，而不是我们事先猜测的2.0版本，此外，对流程控制和浮点运算，微软提出了更高的要求。到目前为止，我们能够看到的能够支持directx9特效的只有以下两款： 
　　ati radeon9700和matrox parhelia512，其中parhelia512只能部分支持到目前为止我们知道的directx9，他的pixel shader版本是1.3版，只能支持4重纹理。年底发布的nvidia nv30将是支持directx 9特效最多的显卡，他的名字可能叫做cineforce，就是cinefx实时电影渲染引擎＋geforce的意思。（但是微软方面没有承认它是一个完完全全的directx 9gpu，看来我们要等nv35或者r400了） 
　　所以，我们看到，为了让我们的图形卡发挥最大的效能，我们必须要挑选适合自己的directx版本，当然，这种挑选不能光看图形特效，还要全面衡量你的机器配置，比如音频，cpu等等，对此我提出以下建议：
　　对于99年～2000年中期买的机器，这一阶段的机器多半是赛扬466，128m，20g，tnt2 m64/pro或者geforce2 mx第一代，对于这样的机器，不建议安装directx 8.1，一个原因是这样的机器经常跑完全directx 8软件的可能性很小，速度太慢， 此外，加载了directx 8.1函数库之后，tnt2的运行效率会大幅度下降，因此，只建议安装directx 7.0。 
　　对于2000年后期～2001年中期的机器。配置稍差一点的基本是赛扬600 cpu，128m geforce2 mx 400/geforce2 ti显卡，一般的声卡，好一些的是奔腾三800，256m ，815ep，geforce3显卡，对于这些机器，我建议安装directx 8.1 ，特别是在硬件上支持directx 8.1的geforce3，geforce4 mx，radeon8500等等，必须安装directx 8.1，此外，matrox g550，由于在头射引擎上使用了directx 8.1的技术，所以也必须安装directx 8.1。 
　　2002年的新机器，普遍都是athlonxp 1700＋ / p4 1.6ga ，geforce3 ti200，甚至geforce4 ti4600的配置，当然就肯定需要directx 8.1了，需要大家注意的是，目前，支持directx 9的matrox parhelia512和ati radeon9700都已经上市了，但我并不建议大家安装一个beta版本的directx 9，因为那样会出现很多不可预知的问题，就目前阶段，这些directx 9的显卡非常的不成熟，主要表现在驱动上，据有关评测表明，parhelia512和radeon9700的测试版驱动都是非常的糟糕，我们必须等微软硬件实验室发布whql版的驱动才行。因此，如果你再安装一个测试版的directx，那么你系统的稳定性就会大大折扣，因此，在今年内，directx 8.1是所有主流图形卡的最好选择。 
　　directx 8.1下所有正在销售的显卡的性能比较：     这是很多朋友关心的话题，他们都想看看在同样的平台下，自己的geforce3 ti200和邻居的radeon8500在测试中表现如何，也想看看未来那些号称硬件杀手的游戏的模样，那么，下面就给大家准备了这样一次测试，基于athlon xp2000＋的系统，测试了所有我们能看得到的买得到的显卡！ 测试一：基准direct 3d 性能测试：3d mark2001 se 
　　3d mark2001 se是专门为directx 8.1 平台开发的测试软件，他能全面考察显卡的directx 3d性能，特别是vertex shader和pixel shader性能，此外还有象素填充率和显存带宽这样的重要测试：
　　
　　这是1024x768下显卡的测试成绩，可以看到，最高端的geforce4 ti4600性能几乎是最低端的tnt2的7倍！如果你特别喜欢玩3d游戏，而你还在使用什么tnt2，geforce256的话，那么我要提醒你，你该升级你的显卡了，至于你要买哪种，要看你的cpu而定，如果是p3 600以上的cpu,geforce3 ti200或者radeon 9000 pro这种完全支持directx 8.1的东西是你最好的选择。
　　测试二：directx 8.1 游戏 怒海潜将（aquanox） 测试
　　
　　aquanox（怒海潜将）是今年最热门的directx 3d游戏之一，它的魅力在于提供了很多很多directx 8的特效。上图是在1024x768下的测试成绩，反映的是图形卡每秒实时渲染的游戏帧数。我们知道，只有游戏超过30帧/秒（fps），我们才不会感到打顿。从上图看，只有geforce4 mx440以上的显卡才能达到游戏流畅。此外，这款游戏也极大的考验了显卡的显存带宽。做为目前主流游戏的典型代表，我们很容易看出自己显卡的劣势，如果你是一个3d游戏发烧友的话，而你现在还在使用geforce2 mx400，那么我想，你真该考虑更换显卡了，不然到了年底doom3那种更加bt的游戏上市的时候，你就只能望洋兴叹了。如果你要现在买显卡的话，那么，配备nvidia p83 pcb（就是geforce4 ti4600的pcb）和3.3ns bga显存非公版geforce4 ti4200是你最好的选择，这种变种的显卡很容易超到ti4600使用。目前我们能看到的有asus v8420 deluxe，elsa ti4200 ultra ，青云的ti4200p turbo等等。
　　未来directx 9 游戏前瞻！ 
　　看过当年ff8（最终幻想）cg的朋友当时可能都有这样的想法：我要是能在我们的电脑上玩到这种电影版真实的游戏，那该多好啊！可惜，像ff8这种用数千台sgi工作站＋maya做出来的东西要在我们自己的奔腾上运行，简直是痴人说梦！虽说我们在近几年还是不可能实时玩到能和ff系列cg相媲美的游戏，但我们也不必失望。游戏的深刻变革就在微软的directx！directx 9给我们带来了难以置信的游戏真实感受，nvidia cinefx（实时电影特效渲染引擎更是给directx 9锦上添花！下面我们就来看看directx 9中最重要的特性：shader，8重纹理贴图，和硬件位移贴图的实际效果：（这些图由radeon9700 pro实时渲染） 
　　
　　这是没有打开pixel shader的效果，pixel shader（象素渲染）可以产生以假乱真的毛发，皮肤，纹理等等效果。
　　
　　这是打开了pixel shader的情况，可以看到根上图简直是天壤之别！pixel shader给我们带来了极为真实的感受，这也是微软痛下决心用shader体系来彻底取代t&l的重要原因。
　　
　　没有打开displacement mapping（硬件位移贴图）的效果，硬件位移贴图可以优化整个场景3d模型的三角形分布，以及用最快的方法构造模型。
　　
　　打开了displacement mapping（硬件位移贴图）的效果，如果大家仔细观察近点效果，（比如下巴部分的皱纹）你会发现硬件位移贴图的效果是非常明显的，因为他的优化算法把尽量多得三角形和纹理赋到了近点，然后随着你的视线移动，这些三角形可以实时更换位置，使你始终觉得近点场景非常漂亮。这对显卡非常有限的三角形生成能力和象素填充率来说，就好像把好钢用在刀刃上一样，非常具有深远意义！
　　使用directx 诊断工具诊断directx graphic错误：
　　很多朋友时常遇到这样的问题，好端端的机器，突然不能用direct 3d硬件加速，在很多支持direct 3d的游戏中只能用软件加速，郁闷极了，怎么办？重装系统？ no，我们得先看看是不是咱的directx出错了，这就要用到了directx 诊断工具。
　　windows2000的用户，可以在c:\program files\directx\setup找到这个dxdiag工具，双击运行：
　　
　　请切换到显示选项卡，这时候你可以看到你的显卡，驱动程序等信息，如果你的机器出了问题，那么directx功能中的：direct3d加速和agp纹理多半不可用，点击测试direct3d，可以测试一下你的directx3d功能是否正常。如果无法运行，那么尝试一下重新安装directx，升级显卡驱动，扫描修复注册表错误，如果实在不行，那只有重新安装系统了！  
　　安全卸载directx 
　　终于到了这次directx graphic的专题尾声了，不过还有一个很重要的问题没有跟大家交代清楚，那就是安全卸载direct x 的办法。要知道，做为dll，directx是不能用添加删除程序卸载的。也许有人说，装错了directx，我用更高版本的覆盖不就可以了吗，那么，要是你装了directx 9，那怎办？难道用directx10去覆盖啊！很多装了directx 9 beta的朋友现在后悔不以，因为beta版的directx 9在老一点的显卡上极易出问题。所以，我在专题的最后介绍一下安全卸载directx的办法：用专用directx卸载工具。我在这里使用的是邓钻楠编写的bue directx 卸载精灵完美版，大家可以到华军软件去下载，免费的。
　　
　　解压缩后，直接运行卸载精灵，出现以上界面，直接点击：卸载directx 就可以安全卸载directx了，这个软件适合所有的directx版本。卸载完成之后别忘了重起电脑，然后安装合适的directx版本噢！   （振华网：凝烟）