GPU

为什么跑得快

? 

计算机

3D

游戏最基本的一个要求是：

能以每秒数十帧的速率，

根据当前的三维景物实

时生成三维动画。你所看到的图像会随着你视点的变化而即时改变，使人产生

“

身临其境

”

的感觉。高的帧率可以得到更流畅的画面。一般来说

30fps

就是可以接受的，但是将帧速

增加至

60fps

则可以明显提升交互感。这与计算机影视制作不同，电影特效可以通过很多

台工作站，花几十个小时绘制出长度仅为几秒的高质量画面，并不强调实时性。

渲染一个复杂的三维场景，

需要在一秒内处理几千万个三角形顶点和光栅化几十亿的像

素。早期的

3D

游戏，显卡只是为屏幕上显示像素提供一个缓存，所有的图形处理都是由

CPU

单独完成。

图形渲染适合并行处理，

擅长于执行串行工作的

CPU

实际上难以胜任这项

任务。所以，那时在

PC

上实时生成的三维图像都很粗糙。不过在某种意义上，当时的图形

绘制倒是完全可编程的，只是由

CPU

来担纲此项重任，速度上实在是达不到要求。

直到

1995

年，

PC

机领域第一款

GPU (Graphical Processing Unit) 3dfx Voodoo

出来以后，游戏的速度、画质才取得了一个飞跃。

3dfx Voodoo

有两个主要的特征：深度

缓冲区

(z-buffer)

和纹理映射（

texture 

mapping

）。

z-buffer

执行

“

隐藏面消除

”

这一工

作，

这样可以避免渲染

“

不可视

”

的无效像素。

利用纹理映射功能则可以十分逼真地表达物体

表面细节。

1999

年，

第二代

GPU (Nvidia GeForce256,GeForce 2

和

ATI Radeon 7500)

包括了图形的几何变换与光照计算功能

(T&L)

。而在此之前

T&L

都是由

CPU

完成的，这对

CPU

来说是很复杂的计算。第二代

GPU

解决了系统的一个瓶颈，减轻了

CPU

的负荷，速

度明显提高了。但是由于是固定的渲染流水线，缺乏灵活性，束缚了开发人员的创造性。

2001

年，

NIVIDA

公司的

GeForce 

3

首先引入了可编程的顶点着色器（

Vertex 

Shader

）单元。紧接着在

2002

年，可编程的像素着色器

(Pixel 

Shader)

单元也加入了

GPU 

(

见图

1)

。在绘制时，

GPU

首先接收

CPU

以三角形顶点形式的发送的几何数据。然

后由可编程的顶点着色器单元进行处理，

完成几何变换与顶点属性计算等功能。

接着，

這些

三维空间的三角形由一个固定功能的光栅生成器转换为二维屏幕上的像素。

每个像素的最终

颜色值都通过运行在像素着色器上的小程序运算而得。目前三维游戏借助于

GPU

，已经能

够实时生成十分细腻、逼真的画面。