Tessellation细分曲面技术(DX11)

Tessellation细分曲面技术是AMD(ATI)常年研发多代的技术，经过多年发展最终被采纳成为DX11的一项关键技术，因此历来都是宣传重点。和光线追踪不同，现在的光栅化图形渲染技术的核心是绘制大量三角形来组成3D模型，而Tessellation技术就是利用GPU 硬件加速，将现有3D模型的三角形拆分得更细小、更细致，也就是大大增加三角形数量，使得渲染对象的表面和边缘更平滑、更精细。

1 简介

该技术需要消耗大量硬件资源，因此开发人员不会在场景中的每个地方都使用它，一般只考虑玩家视角近景和轮廓边缘。

兼容

顺便说，只有全面兼容DX11的显卡才能完全利用细分曲面加速，而DX10/ DX10.1不行。

目前ATI与NVIDIA都有可支持DX11的显卡。其优势在于可以用很少的系统资源让3D模型的细节方面更加生动丰富，以极为高效的处理能力为用户提供更舒适的使用体验。

ATI原创的技术

Tessellation一词相信大家并不陌生，早在DX9C时代，微软XBOX360游戏主机中由ATI设计的Xeno 显示芯片就支持；从DX10时代到DX10.1时代，ATI HD2000/3000/4000系列显卡全都整合了一个叫做Tessellator的模块，虽然当时没有任何游戏能够支持该技术，但ATI通过几个演示Demo展现了Tessellation技术的魅力。

事实上，在更早的DX8时代，ATI就已经和微软联手开发了TruForm（N-Patch）技术，也就是Tessellation的前身，并被纳入DX8.1的范畴。但由于该技术有一些不可控制的BUG，因此被DX9和DX10无情的抛弃了。

Tessellation之所以未成气候，就是因为此前的技术还不够完善，另外GPU处理能力不足也是一大因素，因此ATI即便有微软的鼎力相助，也未能将该技术发扬光大。到了DX10时代，ATI虽然在全线GPU当中整合了Tessellator模块，无奈孤掌难鸣，并没有得到游戏开发商的支持。

直到DX11时代，GPU自身的性能有了长足的进步，硬件上真正具备了细分曲面的实力，再加上微软重新改写API渲染流程，专为Tessellation开辟了新的着色器，这才让Tessellation技术得以重见天日。

Tessellation技术实现的原理

Tessellation这个英文单词直译为“镶嵌”，也就是在顶点与顶点之间自动嵌入新的顶点。Tessellation经常被意译为“细分曲面”，因为在自动插入大量新的顶点之后，模型的曲面会被分得非常细腻，看上去更加平滑致密。它是一种能够在图形芯片内部自动创造顶点，使模型细化，从而获得更好画面效果的技术。Tessellation能自动创造出数百倍与原始模型的顶点，这些不是虚拟的顶点，而是实实在在的顶点，效果是等同于建模的时候直接设计出来的。

Tessellation技术是完全可编程的，它提供了多种插值顶点位置的方法来创造各种曲面：

1. N-Patch曲面，就是和当年TruForm技术一样，根据基础三角形顶点的法线决定曲面；

2. 贝塞尔曲面，根据贝塞尔曲线的公式计算顶点的位置；

3. B-Spline、NURBs、NUBs 曲线（这三种曲线均为CAD领域常用曲线，在Maya中均有相应工具可以生成）

4. 通过递归算法接近Catmull-Clark极限曲面。

Tessellation技术最初主要被用以“细分曲面”，随着该技术被纳入DX11范畴，得到大范围推广之后，插值顶点的算法也越来越多，因此用途也越来越广，产生了很多非常有创意的应用。

Tessellation技术还经常与Displacement Maps（贴图置换）技术搭配使用，从而将平面纹理贴图改造成为具有立体感的几何图形，大大增强3D模型或场景的真实性。

除了大幅提升模型细节和画质外，Tessellation最吸引程序员的地方就是：他们无需手动设计上百万个三角形的复杂模型，只需简单勾绘一个轮廓，剩下的就可以交给Tessellation技术自动镶嵌，大大提高开发效率；而且简单的模型在GPU处理时也能大幅节约显存开销，同时大幅提升渲染速度！

2 发展

Tessellation的改进

ATI的HD2000以上级别显卡其实都具备Tessellation的功能，但它们却无法与DX11中的Tessellation技术相兼容。这是因为微软并没有原封未动的将R600的Tessellation技术抄到DX11之中，而是对其进行了优化，使之能与渲染流程完美的结合在一起，可以更高效率的细分出更多的多边形和曲面。

与DX9C/DX10时代孤零零的Tessellator模块不同，在DX11当中，微软加入了两种全新着色器来全力配合Tessellator的工作，分别位于镶嵌器的前后。

其中Hull Shader（外壳着色器）用来控制自动生成顶点的数量和算法，也就是Tessellator的细分级别，然后交给Tesselator进行镶嵌处理，最后由Domain Shader（域着色器）按照程序要求生成所需曲面，并自动进行法线平移、置换贴图，产生新的模型。

与DX9/10中的Tessellation技术相比，DX11新增的两种着色器都受统一渲染架构支配，因此处理能力非常富裕，DX11版Tessellation不仅效率更高、而且细分级别更丰富。但是，更高的细分等级对Tessellator模块本身的处理能力提出了苛刻要求，这需要芯片厂商在设计之初就考虑周全，在本文架构解析部分，笔者会详细分析ATI和NVIDIA两者的设计思路。