3D研究——多边形与像素填充率

Terry
2000年 第4期 

　　编者按：本文有删节，全文请见《用电脑PCDIY》第3期。
    说起3D图形加速卡的性能，我们都会想到多边形处理能力和像素填充率这两项指标。比如Riva TNT2具备每秒1000万个多边形处理能力和250M/s的像素填充率。那么，多边形处理能力与像素填充率究竟是什么意思，它们将如何影响到3D图形加速卡的性能呢？而对于一块3D图形加速卡来说，是更强的多边形处理能力好，还是像素填充率更高为好呢？以下，将详细介绍多边形与像素填充率的知识。
#1　　像素填充率
　　我们知道，每一幅图形都是以最基本的像素组合而成的，我们常说的800×600分辨率，就是指该图像是由横向800个像素和纵向600个像素完成的，实际上这一幅图共用到了4.8万个像素。但为什么现在的3D加速卡需要500M甚至1G以上的填充率呢？
　　要使一帧帧静止图片变成眼睛所能接受的动画，那至少每秒须具备30fps（每秒帧数）以上的帧速率，这样才会觉得画面是连续的。也就是说，要让即时处理的3D图像能成为连续的动画，那每秒就必须能达到480000×30=144万像素（14M像素/秒）。那么这样看来，我们根本没有必要采用100M甚至更高填充率的3D图形加速卡了？这不得不说说现有的3D图形加速卡处理一幅3D图像的过程。因为在3D游戏中，任何一幅图像都是以多边形组合而成，但这并不单纯是一幅平面图像，虽然我们最终在显示器上看到的仅仅是一幅没有深度的图像。比方说，在一个场景中，有主角，有树木和房子，当主角和树木遮住房子时，普通的3D显示卡并不会因此而不计算被遮住的部分，实际上3D显示卡必须计算整个场景中的多边形和像素。也就是说，如果场景越复杂，那么不可见的多边形和像素也就越多。所以，一般的像素填充率测试软件是不会采用太多的层面，这样才能计算出最准确的填充率。在普通的3D游戏中，大概需要3D显示卡填充1.5～3倍的像素，而对于Quake 3这样场景非常复杂的游戏而言，则有可能高达3～5倍。所以像素填充率一直都是3D图形芯片重要的数据指标之一，这决定了一块3D加速卡在各种分辨率下的性能表现。
#1　　多边形对速度的影响
　　任何一个3D场景，都是由最基本的三角形所组成的。一块3D卡多边形处理能力的多少，将直接影响到3D场景构建的速度，但对于现在的3D加速卡而言，大多数必须依靠与CPU浮点运算的配合才能完成。对于Voodoo3这种内置了三角形设置引擎的加速卡来说，相对于其它3D卡对CPU的依赖将减少。而像GeForce 256这种内置了GPU的芯片来说，将极大改善多边形处理对CPU的依赖，但前提是游戏必须支持硬件T＆L加速，这一点是非常重要的。
　　下^04070202a^是几款流行3D加速卡的多边形处理能力，单位（Polygon/s）
    多边形处理能力对一块3D卡处理速度的影响是很大的，它决定了一块3D卡所能达到最高速度。因为在一个3D场景中，多边形的数量是一定的，多边形处理能力/每帧中多边形数量=每帧帧速度。也就是说，如果不考虑像素填充率的影响，多边形处理能力仅为500万/s的 G400是不可能比处理能力为800万/s的Savage 4快。但实际上，在对多边形要求较高的游戏中，如Expandable（兵人）中，多边形处理能力的多少与3D卡所能达到的最高帧数是有直接关系的。这就是为什么G400在低分辨率下性能不及其它3D加速卡的原因。而且，像Savage 4这种低填充率的3D卡，甚至可能在320 × 200的分辨率下强于Voodoo3。当然，在实际游戏中，一般多边形处理能力会首先限制着3D卡的速度。毕竟，现在任何一款3D卡的填充率都能满足在640×480下的需求。
　　也许你会问，那为什么G400在高分辨率下性能比多边形处理能力比自己高一倍的TNT2还要好呢? 首先要说明的是，多边形处理能力并不会因为分辨率的高低而产生变化，无论是320×200还是1600×1200，3D卡都能提供理论的多边形处理能力，当分辨率提高时，对3D卡提出的是像素填充率的要求，为什么G400的速度从640×480～1024×768都如此平均呢，很显然，G400较低的多边形处理能力严重制约着其在低分辨率下的性能表现。
　　由上面的测试可以得出，在低分辨率下，多边形处理能力越高，速度也就越快（当然，这还得看CPU浮点性能而定，相对来说，Voodoo3更宜在低分辨率下取得较高的帧数）
　　那如何才能确定3D卡多边形处理能力不足呢? 你只需用3D MARK 2000做一个简单的测试便可以了。在3D MARK 2000中，首次加入了对大量多边形的支持，在两个游戏测试细节均分为低，中，高三项，在这个测试中，每帧使用了6千～8万个多边形，这对于任何一款3D加速卡来说都是一种挑战，我们可以选用Highdetail（高细节）测试，观察在不同分辨率下的帧速。你会发现像素填充率已经不太重要了。
　　从下^04070202b^可以看出，填充率对于这项测试的影响是非常小的，不过也反映出3D MARK 2000 Highdetail测试过于极端，甚至在Savage 4这种像素填充率极低的3D卡上也无法反映其分辨率的影响。
#1　　像素填充率对速度的影响 
　　看完了多边形对速度的影响后，让我们再来看看像素填充率的情况。
　　在上面我们知道，3D卡所能达到的速度首先将会被多边形处理能力所限制（注意，这主要是指在实际游戏环境中，并不是指某些测试软件）。如果一块3D卡在640×480下只能达到30fps的速度，那无论这块卡填充率有多高，都不可能在其它分辨率上有所提高的。相反，如果一块3D卡像素填充率较低，我们就需要通过降低其分辨率来尽量达到其所能达到的最大帧数。不过这样的情况一般不太常见，因为我还没有见过多边形处理能力仅有10M/s，但填充率可以超过300M/s的显示卡，或是填充率极低，多边形处理能力却很高的。
　　这就是为什么Voodoo并没有采用8M显存的原因，虽然使用8M显存可以使Voodoo运行在更高的分辨率下，但Voodoo 45M/s的填充率并不能在800×600下提供令人满意的帧速。从这一点，可以看出3dfx在制订多边形、填充率及显存数量等细节上颇有一套，这样做，可以在合理的价格下提供了合理的性能。所以，这就是为什么许多多边形处理或像素填充率比Voodoo强的3D卡却无法达到Voodoo的性能，原因是厂商忽略了填充率与多边形处理能力合理的搭配。
#1　　几款流行3D加速卡像素填充率
　　在这里要说明的是，Voodoo5 6000支持高达1.37GT/s～1.46GT/s的填充率，但这并不是为了在游戏中达到100fps或是200fps，关键是全屏抗锯齿对像素填充率的要求非常高。由于每帧图像需经T－Buffer处理后经过4次采样进入Frame Buffer（帧缓存），然后输出显示，对像素的要求也将是原来的4倍，如果一个在TNT2上运行得很流畅的游戏在Voodoo5上加上全屏抗锯齿要达到类似效果的话，那意味着填充率必须达到250×4=1000MT/s，所以，填充率仅为376MT/s的Voodoo 4 4500并不支持全屏抗锯齿和T－Buffer。也可以肯定的是，Voodoo 5在运行支持全屏抗锯齿的游戏时，并不会跑得比现在的3D卡还快。（^04070202c^）
　　如果说在一个游戏中，3D卡的多边形处理能力制约了游戏最高帧数的话，那么像素填充率将决定着3D卡在高分辨率下的表现，那会不会出现像素填充率限制了最高帧数呢? 这种情况现在看来是不会发生的，除非你的3D卡填充率真是低得可以了。对于现在的游戏而言，100M/s的填充率足以满足3D卡在640×480下的填充率了，当你的3D卡在320×200分辨率下速度比640×480还快的话，那肯定是填充率太低了。
　　对于选购3D加速卡来说，由于填充率的多少将决定着该卡在不同分辨率下的表现，所以如果你只有14英寸显示器的话，买一块填充率为90M～150M/s的3D卡就足够了，而对于15英寸显示器来说，拥有一块150M～250M/s的3D卡是必须的，更高尺寸的显示器，则需要250M以上的像素填充率才能很好的发挥。对于那些对速度非常敏感的朋友来说，我推荐选择多边形处理能力更强的3D卡，否则，你肯定会认为购买G400 MAX还没有TNT2值。总之根据自己的实际情况选购最重要，G400 MAX在1280×1024下可以战胜所有同代对手，但这并不代表它是同代中速度最快的。
　　谈到像素填充率，不能不说一下的是32bit渲染。通过实际使用我们发现，32bit色下，性能将比16bit色下降不少，是因为32bit下多边形增多吗? 或是像素填充率提高了? 都不是。由于32bit渲染对显存带宽有很高的要求，比如128位SDRAM在150MHz带宽为2.4GB/s，而显卡在进行32位渲染时，须进行1次读操作和两次写操作（ ZRead，ZWrite，CWrite ），带宽的大小将直接影响3D卡在32位色时的填充率，所以像G400 MAX这种带宽较大的卡在做32位处理时性能较好也不足为奇了。
　　所以，像TNT2 M64这种64位显存接口的3D卡，在做32位处理时性能将比TNT2有明显下降。在下表中，可以看到几款3D卡在不同色深下的填充率。
　　其中GeForce的测试是基于SDRAM版本的，所以填充率在32位色时有明显下降，那为什么同样是SDRAM版的Savage 2000却能在32位保持一定的填充率呢? 这都归功于Savage 2000双像素/双纹理的流水线，这与GeForce 在单周期处理4个像素所不同，双像素/双纹理并不会对带宽带来更多的要求。在不久前Annanandtech网站做的测试中，Savage2000在32位色下的表现令人非常满意，可能现在只有GeForce 256 DDR版可与之媲美。（^04070202d^）
#1　　多边形与填充率谁更重要?
　　前面说过了多边形与填充率各自对3D游戏速度影响的问题，那么在3D游戏中，起决定性作用的究竟是哪项呢?
　　这必须根据3D游戏具体情况而定，不过现在有两种极端，一种是对多边形要求很高的游戏，另一种情况则是需要大量填充率的游戏。对于前一种情况还极少发生，因为大部分3D卡的多边形处理能力均不是很高，所以，游戏的多边形数一般设在大多数3D卡都能达到50～60帧左右的速度，当然，这是在不受像素填充率及纹理填充率影响的前提下得到的。
　　虽然现在也有许多须处理大量多边形的游戏或测试软件出现，但这毕竟是少数，不过可以肯定的是，未来的发展方向肯定是更多的多边形，3D MARK 2000的出现就证明了这一点。游戏厂商真会推出只有一两种卡能跑得起来的游戏吗? 至少在近一段时间内，这样的游戏不会大量出现。
　　与多边形所不同的是，即便是填充率为500MT/s的Savage 2000，也不可能在游戏中比TNT2快两倍，如果你玩游戏主要在较低的分辨率下，那就是1GT/s以上的填充率有什么用呢?除非每帧中的多边形少得足够提供更高的帧数。
　　如何判断一块卡的多边形处理能力或像素填充率是否搭配合理呢? 只须留意测试软件中的帧数变化，像TNT2这样最低与最高帧数相差很大的3D卡，很明显是因为填充率不能达到要求所致，因为在一个场景中，所需处理的像素并不是一定的。如果你对比TNT2与Voodoo3的最高帧数和最低帧数就会发现，TNT2最高帧数比Voodoo3高了不少，但是由于最低帧数也很低，导致平均帧数两者不相上下。这就是浪费了多边形处理能力的表现。而与TNT2相反的是，一些卡在测试中帧数始终保持在一定范围内，很显然，如果加强多边形处理能力，将对帧数提高有很大的促进作用，但前提必须是有更高的像素填充率作为后盾，否则就会让人感觉一停一顿的了。
　　时常有人谈到超频显卡后性能没有任何提高，从以上的论述可以看出，要让帧数提高必须提高多边形处理能力，而超频并没有办法解决这个问题，显卡超频所能带来的好处就是提供了更高的像素填充率。如果超频后你发现在低分辨率下帧数也提高了，那只能说明你的3D卡填充率真是太低了。而当分辨率提高后，理论上只有有足够的填充率，速度将与低分辨率时一致，但实际上，除非有1GT/s以上的填充率，否则要在1600×1200下达到流畅是不大可能的，所以超频最大的好处就是改善了3D卡在高分辨率下的性能。不过如果碰到像Quake 3这类像素大户，那么即便是低分辨率下也会有所提高的。
　　如果超频3D卡芯片能提高填充率，那为什么要超显存呢? 如果填充率很低的话，超频显存可能不会看到什么提高，以TNT2或GeForce SDR这类卡来说，显存超频后提供了更大的带宽，将极大改善在32位色下的效果。
　　当然，对于一块3D卡而言，影响性能的绝不仅仅是多边形处理能力与像素填充率，它们均属于硬件支持的范畴，而对于渲染等处理，则是决定了整块卡最终的效果。而渲染效果的好坏及速度则是可由软件所改善的，我们升级显卡驱动，最终目的就是改善这些性能。而在相同的多边形处理和填充率下，谁的驱动程序或API编得好，谁就能取得更好的性能。
　　当Voodoo4发布时，许多人都会发现其填充率甚至比Voodoo3 3500都低，难道Voodoo4的性能比Voodoo3 3500还差吗? 当然，我们并不排除这种可能，但依照3dfx的发展，多边形处理能力绝对不可能没有提高的，虽然3dfx并未公布VSA－100的多边形处理能力，但我猜测至少应在100M/s左右。当然，如果3dfx为了取得更高的帧速度，有可能提供更高的多边形处理能力，而有大量多边形做后盾，Voodoo4/5在应付未来游戏时也将提供令人接受的速度。所以，当Voodoo4 4500的测试速度比Voodoo 3 3500快10帧以上时，千万不要惊讶。不过可以肯定，Voodoo4 4500将无法满足高分辨率下的要求。
　　写了这么多，主要是希望能为大家在选购3D加速卡时能有所帮助，有目的的选购3D加速卡，千万不要仅仅因为15xx万的多边形处理能力或1GT/s以上的填充率而成为购买的首要条件，就像我们现在买个100G的硬盘一样，将会造成资源的严重浪费，购买3D加速卡，够用就行，毕竟，我们的腰包已被JS们搜刮得差不多了。