真有区别 显卡解析天堂2.5两大主要特性
天堂2.5简介及主要更新2011年3月4日，俄罗斯著名游戏引擎开发商Unigine Corp公司低调发布了Heaven Benchmark 2.5测试软件。作为在2009年当时全球第一款DX11 GPU测试工具——Unigine Heaven Benchmark一经推出便得到了众多玩家和媒体的青睐，并且在显卡GPU评测中的使用率颇高。从2009年Heaven Benchmark 1.0版到今天的Heaven Benchmark 2.5，该软件共计推出了四个版本，软件不仅支持DirectX 9、DirectX 10、DirectX 11与OpenGL四种图形编程接口API，而且在测试的深度和广度上相比其他的Benchmark也要丰富不少。今天显卡帝将与读者一起来共同解析最新Heaven Benchmark 2.5版的相关变化和重大更新。
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天堂2.5 Benchmark 软件界面
●Heaven Benchmark 版本号、相关特性及主要更新 ① 2009年10月份——Heaven Benchmark 1.0 主要特性： - 支持DirectX 9/10/11和OpenGL
- 大量使用Hardware Tessellation(硬件曲面细分)技术
- 高级SSAO(屏幕空间环境光遮蔽)
- 物理学精准算法生成的容积云
- 动态天空和光线散射
- 支持ATI Eyefinity多屏显示技术
- 行走、飞行交互式体验模式
- 基准测试模式 ② 2010年3月份——Heaven Benchmark 2.0 主要更新： - 增大曲面细分负载
- 引擎多项优化
- 测试场景内新增复杂物品
- 物理效果旗帜
- 更多动态光影
- 部分旧资源改进
- 曲面细分增加“保守”和“极限”模式 ③ 2010年5月份——Heaven Benchmark 2.1 主要更新： - 加入了对OpenGL 4.0标准规范的支持
- OpenGL模式下的硬件曲面细分技术
- 加入了对多种立体3D模式的支持，包括Anaglyph、Separate Images、NVIDIA 3D Vision、iZ3D等 ④ 2011年3月份——Heaven Benchmark 2.5 主要更新： － 改进支持大量GPU，尤其是新型号显卡
－ 增加支持屏幕环境光遮蔽(SSAO)的改良技术“屏幕空间方向性遮蔽”(SSDO)，模拟实时全局光照，
－ 改进环境光遮蔽的质量
－ 改进长时间运行(几个小时)的稳定性
－ 增加用户手册
－ 修正微小的内容性错误
－ 修正Windows图形界面启动器的兼容性问题
－ 改进Windows安装程序 从上面所罗列的主要特性和主要更新中，我们发现Unigine公司在这款Benchmark软件中“重点下功夫”的地方为：Tessellation(硬件曲面细分)技术和SSAO(屏幕空间环境光遮蔽)技术。曲面细分技术自然不用说，一直一来都是GPU厂商所推崇的DX11核心技术之一，我们在这款Benchmark的测试场景中所看到的建筑物、街道、飞艇和飞龙雕像等都大量使用了曲面细分技术来进行建模；而SSAO(屏幕空间环境光遮蔽)这项技术，想必知道AO(Ambient Occlusion:环境光遮蔽)技术的朋友对SSAO一定不陌生，“环境光遮蔽”(Ambient Occlusion，AO)是一种复杂的光照技术，通过计算光线在物体上的折射和吸收在受影响位置上渲染出适当的阴影，进一步丰富标准光照渲染器的效果。“屏幕空间环境光遮蔽”(SSAO)就是该技术的一个变种，像《孤岛危机》、《鹰击长空》、《火爆狂飙》和《帝国：全面战争》等诸多游戏都运用了该技术。今日显卡帝就来为各位玩家详解这两项核心技术。 天堂2.5 曲面细分技术直观对比 在天堂2.5 Benchmark中的Tessellation（曲面细分）选项中共有3个调节按钮（Scale、Factor、Distance），我们将这3个调节按钮的数值分3个档位进行进行设定，即数值同时为0、同时为1和同时2，通过下面的截图我们可以很清楚的看到曲面细分在程度上从无到有、从低级到高级的变化。
●曲面细分对比第一组 - 路面细节
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★动态对比图 http://2a.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/438/ceBDnRQVqgxzI.jpg
☆静态图（Scale=0 ;Factor=0 ;Distance=0） http://2b.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/439/ceEUEWzUgTFf2.jpg
☆静态图（Scale=1 ;Factor=1 ;Distance=1）http://2f.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/437/ceVab56qXr3Kc.jpg
☆静态图（Scale=2 ;Factor=2 ;Distance=2） ●曲面细分对比第二组 - 墙壁细节http://2c.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/780/cego3ULB48pq6.gif
★动态对比图http://2e.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/70/ce4shg3FeSoI.jpg
☆静态图（Scale=0 ;Factor=0 ;Distance=0） http://2a.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/72/ceSpHXs2Rp7bg.jpg
☆静态图（Scale=1 ;Factor=1 ;Distance=1） http://2b.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/67/ceBM5T4zJ0vs.jpg
☆静态图（Scale=2 ;Factor=2 ;Distance=2） ●曲面细分对比第三组 - 铜炮细节http://2e.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/866/cecVImXnwztw.gif
★动态对比图 http://2d.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/417/ceRmbchJHjK22.jpg
☆静态图（Scale=0 ;Factor=0 ;Distance=0） http://2e.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/418/ceG79cwAUSDs2.jpg
☆静态图（Scale=1 ;Factor=1 ;Distance=1） http://2c.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/416/ceoz9fe5Ez1U.jpg
☆静态图（Scale=2 ;Factor=2 ;Distance=2） ●曲面细分对比第四组 - 屋顶瓦片细节http://2d.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/805/ceQok88SG3izI.gif
★动态对比图 http://2b.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/331/cemFiKjnJRNb2.jpg
☆静态图（Scale=0 ;Factor=0 ;Distance=0） http://2c.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/332/cecc8yt6ZJCBE.jpg
☆静态图（Scale=1 ;Factor=1 ;Distance=1） http://2a.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/330/ceSTjFNxko9L6.jpg
☆静态图（Scale=2 ;Factor=2 ;Distance=2） ●曲面细分对比第五组 - 飞龙雕塑http://2b.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/785/ceDha02Xk4SM.gif
★动态对比图 http://2b.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/163/cePprrxca7g.jpg
☆静态图（Scale=0 ;Factor=0 ;Distance=0） http://2d.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/165/cevH9VouvxPxw.jpg
☆静态图（Scale=1 ;Factor=1 ;Distance=1） http://2f.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/161/ce3JoJWXQSync.jpg
☆静态图（Scale=2 ;Factor=2 ;Distance=2） 显卡帝总结：从上面关于曲面细分技术的直观细节对比图上看，无曲面细分的画面显得没有立体感，较为平淡或者说凹凸感不够强烈，而采用了曲面细分技术之后，我们从画面上可以很直观的感觉到画面变得更加丰满、立体和凹凸有致。 曲面细分技术解析 曲面细分这项技术最先应用在专业领域，而首次被引入到PC图形技术中来的则是AMD公司，当年所发布的R600架构中新增加的Tessellation（曲面细分）由于专属性太强，也缺乏像微软以及游戏厂商的支持，所以该技术推出时并未得到游戏开发商的广泛使用。而首次让微软尝到曲面细分技术甜头的是：AMD为微软打造的XBOX360图形核心采用了这项技术，且大量游戏都采用了曲面细分技术。正是得到了微软老大的认可，曲面细分这项技术才在日后的DX11中大展拳脚。
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R600架构中首次增加曲面细分单元http://2d.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/753/cekyjA8X02g.jpg
DX11流水线图 曲面细分的作用，通俗的来讲：就是为一个一个多边形模型增加更多的多边形数量。但是这样还不能保证能够提升图形的效果，从DX11流水线图我们可以清楚的看到：在曲面细分（Tessellator）单元的前后多出了Hull Shader和Domain Shader两个单元，正是借助这2个前后控制模块，才使得采用了曲面细分技术的图形效果有了较为显著的提升。http://2c.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/464/ceCBIc5tc537Y.jpg
DX11中的曲面细分技术 从上面这张技术解析图，我们可以很了解到Hull Shader、Tessellator、Domain Shader这3个新单元的具体作用：Hull Shader主要负责定义细分等级（LOD）和相关控制点在细分中的“形变”趋势，需要说明的是这种形变仅仅是类似于曲率改变等小幅度的变化，而非大幅度的多边形位移；Tessellator则负责根据Hull Shader传输下来的信息，通过“暴力”增加多边形去实现Hull Shader的要求；Domain Shader负责的最重要的功能就是通过贴图控制的方式，实现模型的形变，也就是我们大家在DX11的细分曲面中看到的高细节画面。 显卡帝总结：Hull Shader定义细分级别和形变趋势；Tessellator按照Hull Shader需求增加多边形；Domain Shader实现模型形变。http://2a.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/378/ce4bLYvlq2yBM.jpg
曲面细分技术演示http://2c.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/88/ceVBDFscgynLw.jpg
曲面细分技术演示http://2c.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/920/ceqSAWkTk10U.jpg
曲面细分技术演示 然而有趣的是，作为曲面细分“创始人”的AMD并没有将曲面细分这项技术发扬光大，这从AMD和NVIDIA两家公司在新一代DX11显卡的核心架构上就可以看出端倪。NVIDIA对曲面细分技术的态度似乎很狂热，所以在核心架构上采用的是专用的曲面细分单元，而AMD则认为曲面细分技术的滥用是没有必要的，所以AMD依然沿袭的是R600架构的传统做法，即内部集成曲面细分处理单元。所以在高负载的曲面细分处理过程中，NVIDIA显卡的表现要比AMD的显卡更加出色一些，几乎可以到达6倍于竞争对手的处理能力。 显卡帝总结：NVIDIA的DX11显卡采用的是专用曲面细分处理单元的设计，而AMD则采用的是内部集成曲面细分处理单元的设计。 天堂2.5 光影特效直观对比 在天堂2.5 Benchmark中，我们打开Settings（设置）选项中的Render(渲染)选项卡，右侧的Options中从上至下有AO(环境光遮蔽)、Refraction(折射贴图)和Volumetric shadows(体积阴影)三个复选框。我们采用同时勾选和同时不选来对比光影特效。
●光影特效对比图 第一组
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★动态对比图http://2f.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/223/ce4Ank6uzPqyE.jpg
☆静态图 - 关闭光影等特效http://2a.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/224/ce5Lc4hDV7CuE.jpg
☆静态图 - 打开光影等特效 ●光影特效对比图 第二组http://2b.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/249/ceki9yUhvw1.gif
★动态对比图 http://2b.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/225/cea7jEffoTa3Y.jpg
☆静态图 - 关闭光影等特效http://2c.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/226/ceZSfbdOjt8xU.jpg
☆静态图 - 打开光影等特效 ●光影特效对比图 第三组http://2d.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/251/cec2Y31oUgqGw.gif
★动态对比图 http://2d.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/227/ceTZQFIr6JE.jpg
☆静态图 - 关闭光影等特效http://2e.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/228/cedXLs6bKjeaI.jpg
☆静态图 - 打开光影等特效
显卡帝总结：从上面关于AO(环境光遮蔽)、Refraction(折射贴图)和Volumetric shadows(体积阴影)这些光影特效的对比图中，我们仅从视觉上来讲，感受最明显的应该是图形画面的明暗亮度有了很大的差异，应用了AO(环境光遮蔽)、Refraction(折射贴图)和Volumetric shadows(体积阴影)这些光影特效的图形画面在逼真度上表现的更加符合现实中的光照和阴影效果。 光影特效技术解析
首先我们对AO(环境光遮蔽)、Refraction(折射贴图)和Volumetric shadows(体积阴影)这3个技术名词进行下解释。
AO(环境光遮蔽)：AO是来描绘物体和物体相交或靠近的时候遮挡周围漫反射光线的效果，可以解决或改善漏光、飘和阴影不实等问题，解决或改善场景中缝隙、褶皱与墙角、角线以及细小物体等的表现不清晰问题，综合改善细节尤其是暗部阴影，增强空间的层次感、真实感，同时加强和改善画面明暗对比，增强画面的艺术性。
Refraction(折射贴图)：从英文单词上看，很容易和反射混淆。折射是光线穿过透明物体的光线扭曲效果，它与反射光线是完全不同的。因为折射本身计算复杂，光是游戏中启用就已经很吃力了，你更难以制作单个物体上多个折射率的效果。折射常发生在透明的厚玻璃，清澈见底的湖水，水晶宝石等。
Volumetric shadows (体积阴影):测定投影空间式阴影，该算法最早于1977年提出，其基本原理是根据光源和遮蔽物的位置关系计算出场景中会产生阴影的区域，即阴影锥。然后对所有物体进行检测，以确定其会不会受阴影的影响。这个方法的要点在于，它不是利用“把物体投影到环境表面”的方式来产生阴影，而是去找出场景中有哪些像素是在阴影中。
从笔者对天堂2.5 Benchmark的测试中我们发现AO(环境光遮蔽)这个选项对图形画质的影响较大，且开启和关闭的负载差异也较大，所以我们重点来解析AO(环境光遮蔽)这个特效产生以及其变种SSAO技术的相关解析。 虽然说玩家在游戏的过程中，真正对AO(环境光遮蔽)特效的体验可能是自己没有太在意甚至是没有发觉，但是我们不得不说的是近些年来推动游戏图形画面更加逼真的最为关键的一个环节即是光影特效，试想一下：若能够非常近似的模拟与现实生活一样的光照和阴影效果，那么游戏的画面将更加自然和拟真。然而由于光影效果的实现需要耗费巨大的GPU资源，故而也成为了技术推进上的最大障碍。 在早期的游戏设计中，仅仅采用了相当粗糙的直接光照效果，即：光线从光源发出、照射到物体上后、反射到玩家眼中，光照的计算就完成了。这显然不大完全符合现实世界的光影形成的逻辑，因为在现实中，不仅要计算直接光照，还需要计算间接光照，即：光线从光源发出、照射到物体上后，除了计算物体本身反射到玩家眼中的光线，还要计算物体多次反射、折射、吸收光线，以及物体之间因为反射、折射而导致的光线、阴影变化，经过综合计算将光线和阴影的最终效果展示（反射）到玩家眼中，从而实现全局光照的效果。而全局光照才是实现光影特效的最逼真效果。
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全局光照效果图 全局光照是个好东西，但是正如事物有利即有弊、有阴就有阳，全局光照在静态图形处理上因为可以等待渲染的时间，所以比较完美，而对于游戏来说，动态画面必须保证每秒好几十帧的渲染速度，故而全局光照必须在处理效率与画面真实度上就必须要有一个相对合理的取舍与平衡。 目前实现全局光照效果相当最好的一种方式即采用“光线追踪（Ray Tracing）”技术。 光线追踪算法分为两种：正向追踪算法和反向追踪算法。其中，正向追踪算法是大自然的光线追踪方式，即由光源发出的光经环境景物间的多次反射、透射后投射到景物表面，最终进入人眼。反向追踪算法正好相反，它是从观察者的角度出发，只追踪那些观察者所能看见的表面投射光。 光线追踪技术虽然说实现了最佳的全局光照效果，但是却与目前的显卡架构融合较为困难 说到这里，我们先介绍一下实现全局光照效果非常好的一种方式，那就是“光线追踪”技术（Ray Tracing），光线追踪算法分为两种：正向追踪算法和反向追踪算法。其中，正向追踪算法是大自然的光线追踪方式，即由光源发出的光经环境景物间的多次反射、透射后投射到景物表面，最终进入人眼。反向追踪算法正好相反，它是从观察者的角度出发，只追踪那些观察者所能看见的表面投射光。http://2a.zol-img.com.cn/product/63_500x2000/878/ceG4OCCxr5F36.jpg
光线追踪画面效果 光线追踪技术实现了最佳的全局光照效果，但是与目前显卡架构以光栅化为主的处理方式难以融合，并且由于光线追踪在计算方法上非常复杂、负载也很大，所以在短期内该技术无法真正大规模的应用于游戏显卡上。Intel、AMD和NVIDIA都在光线追踪技术方面有所发展，目前在该技术上处于相对领先的应该是NVIDIA公司，其发布了基于CUDA架构的光线追踪引擎OptiX。 “山重水复疑无路，柳暗花明又一村”，其实目前的一些游戏已经开始实现了全局光照的效果，但并非采用的是光线追踪技术，而是采用其它多种实现方式来达成全局光照的效果，其中包括AO环境光遮蔽（包括其变种SSAO、HBAO等）。http://2e.zol-img.com.cn/product/63_240x180/840/ceWV7A2NUeRKU.jpg http://2f.zol-img.com.cn/product/63_240x180/841/cenDmkt624wZE.jpg
一般光照渲染模式（左）与AO光照渲染模式对比 AO环境光遮蔽：是实现全局光照中部分物体局部光照和阴影真实化的一种技术方式，其函数实现方式并未严格遵循现实的物理模型，但是效率较高，因此被当前游戏广泛应用。 作为AO环境光遮蔽技术重要变种之一的SSAO（Screen-Space Ambient Occlusion）屏幕空间环境光遮蔽，其最先应用于Crysis（孤岛危机）游戏之中。这款游戏的开发商Crytek作为当时在间接光照技术研究领域的先锋，其技术员在对应用于孤岛危机游戏中的Real-Time Ambient Map（实时环境光照贴图，简称RAM）技术进行再度改进之后，最终成就了如今的SSAO技术。而SSAO相对于早期应用于NV驱动185.20中的AO技术较为优秀的地方在于：占用资源低、执行效率高，且与流行显卡的管线整合相当容易；缺点也有：颗粒感比较重，需要与动态模糊紧密配合才能取得较好效果。 目前已发行的游戏中，运用SSAO的游戏有：Crysis（孤岛危机）、Burnout(TM) Paradise The Ultimate Box（火爆狂飙5天堂）、帝国：全面战争和星际争霸2。 总结：曲面细分与光影齐飞
从前面的直观对比图和技术解析中，想必读者已经较为深刻的感受到曲面细分技术和光影特效在游戏画质上的真实表现和具体差异。从Heaven Benchmark这些年来的重大更新方面我们可以看出Unigine Corp公司在游戏画质上对曲面细分和光影等相关的特效的改进是最多的，这也从另一个侧面给玩家在暗示考验DX11游戏显卡最为关键的指标是什么。最后我想对本文中所提及的重要技术作一个简短的回顾，力争通俗易懂。
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魏晋时期的数学家刘徽首创割圆术 曲面细分技术：显卡帝认为这项技术在实现上的思想与中国古老的“割圆术”的核心思想“无限细分逐步逼近”有异曲同工之妙，用更多的多边形来逐渐逼近真实物体的外表轮廓，从而实现图形画面的立体感和层次感。
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无AO(左)和有AO（有）对比图 AO环境光遮蔽：采用快速而廉价的算法来模拟全局照明模式，它主要是通过改善阴影来实现更好的图像细节，在间接照明不足时，AO的作用会更加明显。
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更加逼近现实的光影特效 SSAO（Screen-Space Ambient Occlusion）屏幕空间环境光遮蔽：是一个纯粹的渲染技术，或者说，是一个算法。虽然从上文知道是为了实现“间接光照”的效果，不过从技术上讲，就是一个对于AO（Ambient Occlusion环境光吸收，也就是NV 185.20驱动加入的那个，一个渲染技术，我们可以在Maya等3D软件中可以见到）的一个逼近函数，并且以此为据进行实时渲染。
显卡帝总结：以前玩家在游戏画质要求上可能因为游戏数量有限，所以大家对游戏画质方面也没有太多过分的苛求，然而当DX API历经DX9、DX10和DX11三代的持续更新之后，游戏画质越来越备受玩家的关注。毕竟玩家去玩游戏就是为了体验模拟现实的那种真实感，所以当玩家碰上一款逼真度很高的游戏时，会有一种很兴奋的感觉：原来在游戏画面可以和现实场景一模一样哈！所以现在的玩家更倾向于去选择更为高端的DX11显卡，他们需要得到的就是这种强烈的画面真实感。可以说DX11的游戏特效已经做的相当细微化了，尤其更加注重到物体的细节以及光照阴影等更加趋近于现实化的、自然化的特效。所以我们也看到了GPU研发厂商也在不遗余力的在这些技术方面进行着大量而深入的研究。如果拿好几年前的DX9画面和现如今的DX11画面相对比，你一定会从画面细节中发现：确实真有区别。而这一切正是图形技术革新所带来的最实惠的结果。
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