【西川善司】PLAYSTATION4图形讲座（后篇）

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翻译：Trace
校对：千里马肝


PS4时代的游戏图形的关键是新搭载的技术！

2月21日正式发表（当地时间）

虽然在前篇中看了关于PS4硬件规格和图形性能的基本部分，后篇中，要试着聚焦在关于在PS3的GPU上没有的新时代机能到底能实现出怎样的游戏图形这部分。

PS4时代的游戏图形会变成这样（3）---革新的图形管线

PS4的GPU是基于DirectX 11.1时代SM5.0架构。PS3的GPU是DirectX 9.0时代SM3.0架构，之间进化了两个时代，在这两代中，GPU的渲染管线有了很大的进化。渲染管线的进化本身，让PS4时代游戏图形也直接进化了。

PS3时代的图形管线中，有进行顶点单位的坐标变换，顶点单位的照明(lighting)和着色(Shading)，纹理地址运算的[顶点着色器 Vertex Shader]，还有像素单位的照明以及着色的[像素着色器 Pixel Shader]这两种Shader。

[PS3，XBOX360时代的图形管线]

PS3，XBOX360所代表的DirectX 9/SM3.0时代图形管线。


在PS4时代的图形管线中，新增设了控制多边形（primitive）增减，显示和消失的[Geometry Shader]，以及实现多边形(primitive)分割和移动的[Tessellation Stage]，还有能把GPU在图形渲染以外使用的ComputeShader（GPGPU）。顺便说一句，任天堂的Wii U因为采用的是DirectX 10.1时代的RADEON HD 4000系列GPU，也实装了[Geometry Shader](虽然也对应GPGPU，但那个潜力稍微有限制) 。

Wii U时代的图形管线

Wii U所代表的DirectX 10/SM4.0时代的图形管线。

PS4时代的图形管线

PS4（和大概要出的下一代XBOX）代表的DirectX 11/SM5.0时代的图形管线。

Geometry Shader，Tessellation Stage，ComputeShader这些新增加的着色器，在PC世界里已经实用化很久了，但对应到游戏上，只是保留在局部使用的程度，可以说是[one point relief的使用]。还有目前为止的游戏开发技术，主要还是以活用主流游戏平台PS3和Xbox360的DirectX 9时代SM3.0架构的图形管线作为主轴来设计的。

在PS4时代（还有下一代XBOX）以后，当然还会有新增加的着色器，所以游戏开发技术的进化应该会加速。现在已经开始倡导新世代的游戏引擎，在各游戏引擎上，实践着这些新着色器的积极活用。

PS4时代的游戏图形会变成这样（4）---GPU粒子系统超过100万粒子的表现

能够控制多边形增减，出现和消失的Geometry Shader，在新时代引擎中，为全新概念的粒子系统的构筑做了很大的贡献。

表现烟，水，火焰等无形态物体时使用的粒子，其实只是贴上纹理的方型多边形。当然，虽然很多情况是对每一个都施加特殊的着色，结果起决定性的还是资源数量。在PS3时代，经常描画出数千到数万的粒子，但如果处理压倒性数量的粒子的运动，并且要全部进行绘制，这个负荷的程度就是就算是外行人也很容易联想到。

如果是水、火、烟之类的，必须要把流体物理模拟通过数万个粒子来实现。在以前的渲染管线上，这类运动和更新的计算是放在CPU上实现的，之后还要把绘制命令发送到GPU上。

但在PS4上使用了Geometry Shader，粒子系统不需要CPU协助，几乎只用GPU就可以实现了。模拟的部分，在后述的ComputeShader上做实现（也有利用Pixel Shader的情况）。这样，和CPU运作完全异步的大量粒子都可以进行控制了。把这样只用GPU实现的粒子系统称为[GPU粒子系统]。

[Agni's Philosophy]里控制10万只萤火虫的行动
http://v.youku.com/v_show/id_XNDA5MTE2MDQw.html

史克威尔艾尼克斯的[Agni's Philosophy]的一个场景。展示了GPU粒子系统，只用GPU实现了10万只萤火虫的动作控制和绘制。萤火虫是拥有的几何构造的3D模型，Luminous Studio的GPU粒子系统，可以认为是同一个模型的使用不同参数驱动进行复数绘制机能[Geometry Instance]的对应。

史克威尔艾尼克斯的Luminous Studio，Epic Games的Unreal Engine4，都实现了GPU粒子系统.可以说他们能实现超出10W个复杂模拟粒子或超过100W个简单粒子的运动控制和绘制功能。

[Unreal Engine4]的100万个粒子控制

Epic Games的Unreal Engine4的DEMO中，可以看到拥有力场的100万个粒子分别运动的样子。

[Unreal Engine4的技术演示Elemental 2013]
http://v.youku.com/v_show/id_XNDEwMDA3NDEy.html


通过使用Tessellation Stage，实现了高品质的全新表现。

[Tessellation Stage]在PS4时代的游戏图形中是最为被期待使用的要素。

Tessellation Stage，实际上是由Hull Shader，Tessellator Shader，Domain Shader三个着色器构成。

Tessellation Stage，可以描述为通过可编程的方式把多边形进行分割和移动变形的机能，Hull Shader负责对这个的分割做规划，Tessellator Shader实际根据这个规划实行对变形的分割，Domain Shader负责让Tessellator Shader分割的多边形做移动变形的工作。

[Tessellation Stage]

Tessellation Stage的各个着色器的示意图。

关于Tessellation Stage的使用方法已经做了各种讨论，首先想到的最直接的用法，就是把LOD（Level of Detail）全部交给GPU处理。

LOD，就是把离视点很近，有特写的3D模型用大量多边形来表现，离视点远的，绘制面积很小的3D模型使用少量的多边形来表现，为了实现这个，在游戏引擎上（CPU的部分）做切换的结构。

如果只用高模，离视点远的3D模型，每个多边形都要对同一像素做多次绘制，给GPU增加了无谓的负荷。而且在内存里预先存放着低模和高模两套模型，又会变得很冗长，进行高模和低模切换的处理还需要在游戏引擎(CPU)上进行，还有在切换的瞬间，这个3D模型也有可能在用户面前暴露出膨胀或萎缩的popping现象。        

如果活用Tessellation Stage，可以根据视点的距离，自动(可编程的)进行多边形分割，可以无缝的实现高模化。能够把LOD系统委托给GPU，因为是无缝的高模化，所以也不会引起popping现象。

但是，这种Tessellation Stage的LOD的使用，一开始说是[可以]，而实际上游戏制作方变的不是很积极，这其中有几个理由。

在这种Tessellation Stage的LOD使用的实践中，如果要按预想的在运行时无缝的分割多边形，那就必须在3D建模时就进行Tessellation控制的设定和加入。但是，这种建模方法，和PS3、XBOX360的DirectX 9/SM 3.0时代的3D建模制作手法完全的不同，现在游戏平台的主流还是PS3和XBOX360，不能随意的切换成以Tessellation Stage为前提的内容(Content)管线，这就是理由之一。

可是，今后的PS4时代，还有下一代XBOX都应该搭载了DirectX 11时代的GPU，以Tessellation Stage为前提，构筑起内容管线也应该没问题了。

那么，至今Tessellation Stage没有被活用的另一个理由是专利问题。

Catmull-Clark
高精度高品质的Tessellation方法中有个被称作Catmull-Clark的方法。Catmull-Clark，很多的3D CG软件（DCC工具）都支持，说起来是Tessellation在CG业界的标准方法。Catmull-Clark，也有个有名的轻量级的版本，那就把Catmull-Clark曲面用Bezier patch近似的Approximating Catmull-Clark（ACC）方法。

[Geri's Game]

[Geri's Game]的图片。本作成为了采用Catmull-Clark方法的皮克斯第一个CG动画作品。

广泛掌握Catmull-Clark方法相关专利的是制作CG电影[玩具总动员]等著名的皮克斯工作室。在电影作品中，包含使用Catmull-Clark方法的影像没有任何问题，但如果是游戏，实时运行时包含Catmull-Clark方法的程序代码会和专利抵触。

不过，皮克斯在2012年夏天，宣布这个的自由许可，包括游戏业界都可以自由的使用。作为使用实时高速动作的Catmull-Clark方法的程序代码进行开发的开源项目[OpenSubdiv]也公布了。Catmull-Clark方法，终于可以利用到游戏上了。

开源项目[OpenSubdiv]

皮克斯把Catmull-Clark方法的相关专利自由许可化。为了把Catmull-Clark在各种平台上实现，开源项目[OpenSubdiv]也开始了。

使用Approximating Catmull-Clark（ACC）的Tessellation方法，考虑到让艺术家参与到Tessellation Stage内容管线的革新的游戏引擎，在这次的PS4发布会上公开了，那就是CAPCOM的新游戏引擎[Panta Rhei]。

CAPCOM的Panta Rhei，是作为和MT Framework完全不同系统的游戏引擎被介绍的，根据相关人员介绍，这是个全新的引擎，作为完全重新构建(Full Scratch Build)的新设计引擎来开始的，可以实现Tessellation Stage的完全活用。

根据相关人员介绍，是一个完全新设计的引擎。作为完全从头开始的新设计的引擎，从开发开始，也许就把曲面细分阶段作到活用而实现的。

CAPCOM的新世代游戏引擎[Panta Rhei]

在PS4发布会上发表的CAPCOM的新时代游戏引擎[Panta Rhei]，可以说是把Tessellation Stage在深层活用的游戏引擎。以[Panta Rhei]为基础的游戏项目[deep down]也明确了正在开发。

[deep down -working title -Teaser Trailer]

[deep down]（临时名称）的屏幕截图

[失落星球2]里的选择

2010年，CAPCOM在开发[失落星球2] PC版时，决定使用Tessellation Stage。但是，因为3D模型资源要与PS3和XBOX 360共享，最后决定放弃采用Catmull-Clark的方法来实现。

[Panta Rhei上采用了ACC法吗？]

负责Tessellation Stage的最终阶段的Domain Shader，虽然担当了让被分割的多边形模型变形移动的处理，但这个位移量可以用纹理(Displaced Texture)来给予。例如，对于人形角色的基本形状，给出怪物形状的位移纹理就能作出怪物的模型，给予普通人类形状的位移纹理也能作出人类模型。或者在Domain Shader里从驱动人类形状的位移纹理到怪物形状纹理逐渐变化，就能实现人类到怪物的变形表现了。

[Displaced Subdivision Surfaces]

在PS4时代的角色模型设计中，要准备粗糙和细节的表现的两个位移纹理。在运行时，根据视点的距离，实时的用Tessellation来实现必要详细度的高模化(曲面化)，而且在位移纹理上，要加入或抠出细节，就可以得到最终品质的画面。

[Tessellation]

对同一个粗糙模型，实现了不同的Tessellation，使用不同的位移纹理给予细节，那么也可以作出不同角色的模型表现。

[SAMARITAN DEMO]里的变形表现

Epic Games的[SAMARITAN DEMO]中，有效的使用了Tessellation Stage的Domain Shader，从人类到岩石超人，实现了实时的变形表现。这样的表现，在PS4时代的游戏图形中大概会流行吧。

还有，Tessellation Stage在毛发表现上的使用也值得期待。Tessellation Stage不光是多边形，也能够处理线段，所以用线段把给出的头发按需要的精度做分割，也可以做到曲线化。

使用Tessellation Stage处理线段的特别模式[Isoline Tessellation]也被期待能够在头发的表现上使用。Isoline Tessellation，是在给出的线段上隔开一定距离空间后，生成出复制了那个线段的等值线（Isoline）的模式，应用这个能够一根一根的增加头发。

使用了这个Tessellation Stage的头发表现，也应用在了NVIDIA的DirectX 11时代技术的DEMO以及史克威尔艾尼克斯以Luminous Studio为基础的Agni’s Philosophy上。

[DirectX 11时代]的Tessellation

DirectX 11时代GPU上能够利用到的Tessellation模式(pattern) 。

从被输入的线段生成等值线的Isoline Tessellation，估计能够利用在头发的表现上。

[Agni’s Philosophy]的毛发处理

[Agni’s Philosophy]中头发的渲染流程。

u87hahaha

看看~~                        

Kojima.Ninja

看看。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

lrj

西川这货还是比较靠谱的，以前看过他分析PSV和 3DS硬件文章~，纯一技术宅~

libeiqian

看看。 。。。 。

神武者

CAPCOM是真的强！

阿主

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

lws8891

完全看不懂。。。。。。

misakinari

技术宅写给技术宅看的   我等平民看不懂               

枯木君

好长！！！！！！！！！！！！