新一代3D技术——T-Buffer

飞越3D ION
1999年 第38期 17版

    随着最新一波3D加速芯片的推出，3D图形技术已走入成熟期，第四代的Voodoo3、TNT2等3D芯片总体性能都已达到了一个非常高的水平。但遗憾的是，除了S3TC纹理压缩技术和环境凸凹映射等个别特性外，我们并没有看见标新立异的技术，大部分显示卡性能都是基于原来老的产品之上，只是速度更快，性能更强。
    提起3dfx和Voodoo系列芯片，大家都会有这样的感觉：具有超强的性能却缺乏关键的功能。3dfx的系列产品总是速度飞快，但一直不支持32位渲染、高分辨率纹理和AGP纹理等3D特性。3dfx认为“Framerate is king（速度为王）”。在竞争加剧的情况下，3dfx也感到在保持高水准性能的同时，也要改善画质。因而在下一代3D芯片中，3dfx将应用更先进的技术——T－buffer。T－buffer技术的首要目标就是要提高以往不如人意的视觉效果。 
#1    T－buffer技术产生的基础
    T－buffer技术看起来好像是横空出世，其实早期发展的计算机图像技术都是T－buffer的理论基础。在80年代，人们用标准的射线跟踪来形成高质量的图像。那时的问题是视觉效果不真实，包括锯齿、锐化、阴影固定、玻璃无半透明效果等。为了解决这个问题，1984年开发了著名的分布式射线跟踪（Distributed Ray Tracing）技术。
    分布式射线跟踪技术使用了超级采样（Super Samping）来解决锯齿问题。另外还具有区域景深、柔和阴影和一些其他功能。所谓超级采样，就是让多条光线投射到一个指定像素上，颜色取所有光线平均值，然后就用这个颜色给像素上色。标准射线所有被跟踪的点都来自光源的同一方向，而分布射线跟踪的点则可以来自不同方向，由不同方向的射线交叉混合形成像素的亮度，这样阴影的效果更加真实。总的来说，分布射线跟踪技术效果不错，但是光线跟踪要占用大量系统资源进行渲染，而且不能即时生成渲染效果。 
#1    A－buffer和T－buffer技术
    A－buffer（Accumulate－buffer，累积缓冲）技术是1990年发布的图像技术。A－buffer不仅具有即时生成效果，还保留了分布式射线跟踪技术的所有效果。当所有图像渲染完毕后，累积缓冲将之连成一个完整的图像，并送入帧缓存，最后在显示器显示出来。
    A－buffer具有抗锯齿效果，但不支持焦点模糊（它的实现对CPU要求非常高）。其实A－buffer的实质也是超级采样，场景被多次渲染，每次渲染时图像的位置都稍稍有些不同，当然我们肉眼是无法看见这个偏移的。当所有渲染过程完成之后，再将每个图像再叠加起来，由于每个图像位置不同，正好可以填补图像之间的间隙，抗锯齿的效果就出来了。至于运动模糊，也是同样的处理过程，图像多次渲染，由于每次位置不同，图像叠加后人眼自然感觉有多个图像，然后由暗色向亮色逐渐过渡，运动模糊效果就出来了。A－buffer确实是项优秀的技术，克服了渲染中的许多问题，但它是为高端工作站设计的，成本非常昂贵。T－buffer的功能与A－buffer十分相似，两者的主要区别是T－buffer成本相对要便宜很多，因为它的图像处理过程要简单得多，完成时间也更快。因而3dfx将T－buffer视为技术上的一个飞跃，游戏图像可以具有照片般的真实效果。
    1.A－buffer技术渲染步骤如下：
    1）清除A－buffer中的图像。
    2）清空后台buffer中的图像并在后台buffer中为送入的新场景着色。
    3）将渲染后的着色结果送入A－buffer中进行加权处理（这一步是累积）。
    4）根据需要，多次重复第2、3步，每一次重复部分都会连接一个新的图像，这是不同图像加权处理后的结果。
    5）将累积buffer中内容送入后台buffer，交换buffer内容，这一步骤将形成显示的图像效果。
    2.T－buffer技术的渲染过程：
    1）清除后台buffer 原有的图像。
    2）将多重渲染图像送入后台buffer（或buffer）。
    3）清除前台和后台buffer内容，然后显示渲染后的图像。
    3.一般的3D芯片和T－buffer处理图像的过程见右图。
    由于T－buffer比A－buffer少了两个步骤，效率要高很多，而且降低了成本，使得用于工作站的图像技术可以应用到个人计算机上。 
#1    T－buffer的技术特点
    1.全场景抗锯齿特效。只要仔细观察市面上的每个游戏，会发现在所有多边形边缘都有裂纹，这是由于图像信息量缩减造成的。现在一个非常普遍的解决方案就是：抗锯齿。当今的3D卡有两种类型的抗锯齿技术：边缘抗锯齿（Edge Antialiasing）和上行采样（Over－Sampling）。这两者都有弊端，边缘抗锯齿是由软件实现的，即软件为每个进入流水线的三角形边缘做标记，形成一个有轮廓的边沿。当场景渲染完毕后，驱动程序再找回信息标记清单并进行清理工作。这个过程要消耗大量的CPU资源，因为它要保存所有边缘信息的列表清单，然后才能做抗锯齿处理。至于Over－Sampling，它的缺点是会令填充率剧减，因为它需要大量的填充率来完成。
    T－buffer支持全场景空间抗锯齿，这可以消除多边形边缘的参差不齐的毛边，并避免多边形可能发生的错位（通常发生在很小的多边形上）。T－buffer还支持像素等级的渲染（即小于像素宽度），可以创造更加复杂细微的颜色，使边缘更加圆滑，边缘的颜色也柔和地融为一体。而真正可贵的是这一切都由硬件完成，T－buffer的价值正在于此。抗锯齿无须对游戏软件做什么修改，无论游戏本身是否支持抗锯齿，只要你有Voodoo 4，游戏就有抗锯齿效果。而且T－buffer可以完全兼容Direct 3D、Open GL和Glide三个API。老游戏可以轻易得到新技术的绝佳画质，对CPU性能也不会有很高的要求。
    2.运动模糊特效。运动模糊在电影中场景、人物、视角的快速移动应用得非常普遍。简而言之，运动模糊就是允许画面以稳定的帧速运行，且图像看上去非常平滑自然。T－buffer也是对物体进行多次采样，每次选取位置都在稍微不同的位置，然后一次性全部渲染。
    3.焦点模糊特效。T－buffer另一个值得自豪的效果就是焦点模糊。但不能肯定是在整个游戏中还是在特殊场景中使用焦点模糊效果。
    4.柔和阴影和柔和反射特效。在现在的3D游戏中，阴影和反射效果随处可见。不过通常是人物或物体在地面上有一个固定的黑影，很不真实。T－buffer技术自称可以改变这些。
    可以说T－buffer确实是个先进的技术，全场景抗锯齿的效果如果在游戏中频繁使用，游戏的画质肯定会更好，但运动模糊和焦点模糊是否有广阔发挥的空间就很难说了，至于阴影和反射效果，笔者是极为欣赏的，无影侠时代将一去不复返了！ （^381701a^）
#1    结　语
    T－buffer技术虽然出众，但对于对3D整体性能仍然可能存在一些的影响。首先是T－buffer技术非常复杂，可能造成填充率的下降，另一方面，目前的3D显卡一般都支持很高的分辨率，这样一来全场景抗锯齿似乎并不那么重要。不过在看过某些游戏的演示后，发现高分辨率可以减少多边形边缘的锯齿数量，但并不能完全消除，而且不能去除多边形闪烁，可以预见，全场景抗锯齿技术仍然具有它的优势一面。
    今年是3D图形市场竞争最激烈的一年，3dfx有T－buffer技术，Nvidia有T＆L技术，S3有S3TL和S3TC技术，在截稿时，3dfx也发布了它最新的纹理压缩技术——FTX1，这些必将对未来图形芯片的发展产生深远的影响。如果对此有兴趣的话，可以访问我的站点 http://beyond3d.chinese.com。
   


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