3D芯片的处理对象是多边形表示的物体。用多边形表示物体有两个优点:首先是直接(尽管繁琐),多边形表示的物体其表面的分段线性特征除轮廓外可以通过明暗处理(shading)技术消除;其次是仅存储多边形顶点的几何信息,多边形内部每个象素的明暗颜色计算所需的信息由这些顶点信息插值而来,这正是易于用图形硬件支持的快速明暗处理技术。
1.隐面消除技术
在3D场景中,又相当多的部分是被遮挡住不可见的,尤其是在飞行模拟和赛车类游戏中,在复杂场景下最高可达30%之多。假如图形芯片能够判断哪些部分是不需要渲染的,避免渲染这些不可见的部分,在理论上说,我们的显卡可以提升10%到30之多,而且随着场景复杂度的增加,这个数字还会进一步提升。
2.反锯齿技术
相信大家都非常清楚,目前的图形芯片是否开反锯齿得分的差距,完全是倍数级别的。虽然众多厂商提出过许多不同的反锯齿算法,但无论效果还是速度都还是无法让我们满意。希望占用极少的资源,提供极好的反锯齿效果的算法能尽早和我们见面。
3.嵌入式显存
奔腾和赛扬的差距在哪?不是在主频,而是在二级缓存,几百KB的二级缓存对性能的影响可以说是非常大的。在90年代,曾经有两个厂商投入过图形芯片嵌入式显存的研究,虽然之后都渺无音信,但无疑指明了一个不同的研究方向。或许在将来,图形芯片也将同样嵌入一级、二级显存,而高低端的图形芯片就会以二级嵌入式显存的大小来区分。
4.多核心技术
无论是3dfx的VSA架构、ATI的MAXX技术还是XGI的BitFluent技术,都算是相当成熟的多核心技术。在目前来说,多核心技术虽然可以将性能非常简单的提高,但相应的成本和功率的升高实在是让人无法承受。但随着生产工艺提升的难度不断加大,研发新图形芯片的成本不断提升,或许在今后多核心技术相反会成为一个以有限成本大幅提升性能的方案。要知道顶级的图形工作站采用的可都是Savage2000,TNT之类的图形芯片,只是数量比较恐怖。
5.整合
究竟能用得上当前顶级图形芯片全部性能的人有多少?相信只是少数,对大部分大部分商务用户和家庭用户而言,目前的图形芯片的发展速度已经远远超过了他们的需要。对于他们来说,整合方案就是最好的选择:更小的体积,更低的成本,没有噪音,不容易出现故障,Intel图形芯片市场占有率高居不下就是整合的功劳。
十年代早期,斯坦福大学教授Jim Clark产生了用专用集成电路技术实现3D图形绘制处理器的设想,然后与其学生创立了SGI公司,并於1984年开发出了世界上第一个通用图形工作站IRIS 1400(可称为第一代高端通用图形系统)。第二代高端通用图形工作站的功能特征包括三角形的Gouraud明暗处理、Phong光照模型和硬件Z-Buffer算法。图象的真实感显着改善,几何变换及扫描转换性能大幅提高。
代表性产品有HP公司的SRX和SGI 公司的GT系统,GT系统是第一个突破每秒10万个三角形的系统。第三代出现于1992年下半年,代表产品是SGI的Reality Engine。它增加了纹理映射及全屏幕反走样,为通用图形工作站用于户外视景模拟打开了大门。虽然SGI新的Infinite Reality在性能上比之于Reality Engine 有了很大的改进,但其基础依然是绘制纹理反走样的多边形。美国北卡大学研究的PixelFlow系统于去年发表了样机,它得到了HP公司的支持,是第一个对明暗处理语言提供实时支持的系统,但其硬件功能尚未超出第三代的范围。
即使是最快的可生成高质量图象的工作站如Infinite Reality图形加速系统仍是基于Gouraud明暗处理结合普通的纹理技术。作为通向更高真实感图形的重要一步,实时Phong明暗处理(Phong Shading )以及凸凹纹理(Bump-mapping)是硬件目前研究的一个重点。已提出了许多Phong 明暗处理及凸凹纹理的硬件实现方案,但尚未取得突破。改进的环境映照、反射映照及更复杂的反射模型也是目前的一个研究重点,预计不久将出现在新推出的硬件当中。
当前PC图形正将上述第二代功能以低价推向市场,某些加速芯片和加速卡还提供一些第三代的功能特征。PC图形仍将继续继承由高端工作站所开创的新功能。由于绝大多数PC图形的解决方案是围绕一个ASIC芯片来设计,因而它与半导体技术的发展紧密相关。
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