曲面細分

計算機不能直接生成曲線，當然更不能直接生成曲面。我們在計算機屏幕上看到的曲線、曲面實際上是由無數個多邊形構成的。當然多邊形越多，那麼曲面就會展現的更為真實。在之前，這項工作都是由CPU完成的，但是CPU是通用處理器，幾何運算性能有限，不能無限制的增加多邊形數量。這也是我們在一些遊戲中看到人的臉“稜角分明”的緣故。

Tessellation技術，便是一種化繁為簡的手段，簡單的理解，便是在一個簡單的多邊形模型中，利用專門的硬體，專門的演演算法鑲嵌入若干多邊形，以達到在不耗費CPU資源的情況下，真實的展現曲面的目的。

不過值得注意的是，與媒體宣傳的不同，曲面細分技術並不是DirectX 11的全部，而只是DirectX 11的組成部分之一，更談不上最重要的組成部分。

Tessellation技術，或者說曲面細分技術，是由ATI在2001年開發的，一直以來都是AMD-ATI的專屬技術。最早應用在微軟XBOX 360遊戲機上，在PC上沒有廣泛採用。從ATI R600（Radeon HD2000系列）核心以來，曲面細分單元一直集成在AMD-ATI的GPU內部，不過並沒有引起廣泛關注，直到微軟將其採納，加入DirectX11。這也是AMD將HD6000系列顯卡中的曲面細分單元稱為“第八代曲面細分技術”的原因。

事實上，在更早的DirectX 8時代，ATI就已經和微軟聯手開發了TruForm（N-Patch）技術，也就是Tessellation的雛形，並被納入DirectX8.1。但由於該技術有一些不可控制的BUG，因此被DirectX9和DirectX10無情的拋棄了。

Tessellation之所以未成氣候，就是因為此前的技術還不夠完善，另外GPU處理能力不足也是一大因素，因此ATI即便有微軟的鼎力相助，也未能將該技術發揚光大。到了DX10時代，ATI雖然在全線GPU當中整合了Tessellator模塊，無奈孤掌難鳴，並沒有得到遊戲開發商的支持。

直到DirectX11時代，GPU自身的性能有了長足的進步，硬體上真正具備了細分曲面的實力，再加上微軟重新改寫API渲染流程，專為Tessellation開闢了新的著色器，這才讓Tessellation技術得以重見天日。

曲面細分，或者更準確的說“鑲嵌化處理技術”，就是在頂點與頂點之間自動嵌入新的頂點。在自動插入大量新的頂點之後，模型的曲面會被分得非常細膩，看上去更加平滑緻密。它是一種能夠在圖形晶元內部自動創造頂點，使模型細化，從而獲得更好畫面效果的技術。曲面細分能自動創造出數百倍與原始模型的頂點，這些不是虛擬的頂點，而是實實在在的頂點，效果是等同於建模的時候直接設計出來的。

曲面細分技術是完全可編程的，它提供了多種插值頂點位置的方法來創造各種曲面：

1.N-Patch曲面，就是和當年TruForm技術一樣，根據基礎三角形頂點的法線決定曲面；

2.貝塞爾曲面，根據貝塞爾曲線的公式計算頂點的位置；

3.B-Spline、NURBs、NUBs曲線（這三種曲線均為CAD領域常用曲線，在Maya中均有相應工具可以生成）

4.通過遞歸演演算法接近Catmull-Clark極限曲面。Tessellation技術最初主要被用於“細分曲面”，隨著該技術被納入DirectX11範疇，得到大範圍推廣之後，插值頂點的演演算法也越來越多，因此用途也越來越廣，產生了很多非常有創意的應用。例如nVIDIA的一個Demo演示了利用Tessellation技術生產的“頭髮”，這些頭髮都是真實存在的，當然並不是為每一根頭髮建立一個模型，而是利用Tessellation技術在有限的頭髮模型中，鑲嵌入更多的頭髮模型。

除了大幅提升模型細節和畫質外，Tessellation最吸引程序員的地方就是：他們無需手動設計上百萬個三角形的複雜模型，只需簡單勾繪一個輪廓，剩下的就可以交給Tessellation技術自動鑲嵌，大大提高開發效率；而且簡單的模型在GPU處理時也能大幅節約顯存開銷，同時大幅提升渲染速度。

作為GPU領域的領軍者，nVIDIA認為曲面細分技術所代表的GPU幾何性能是新一代顯卡最重要的功能，也是DirectX 11最重要的組成部分。GPU的發展從Geforce FX5800時代發展到Geforce GTX285，五代時間內像素處理能力增長了1500%，而幾何性能只增長了300%。因此nVIDIA認為幾何性能已經成為制約GPU性能的瓶頸，在新一代Fermi架構（費米架構，包括GT400，GT500系列顯卡）中，要專門加強幾何處理能力，曲面細分作為幾何處理的典範便首先得到了加強。

在Fermi架構中，nVIDIA通過PolyMorph Engine，將Tessellation任務分配給CUDA單元（CUDA單元也就是通常說的“流處理器”，nVIDIA稱其為CUDA單元）處理。Fermi第一代旗艦顯卡GTX480擁有15個PolyMorph Engine，也就等效於擁有15個具有Tessellation技術處理能力的單元。

nVIDIA這樣做的優點在於，可以在高曲面細分負載下獲得優秀的曲面細分能力，也就是在純Tessellation計算中GPU的幾何性能相當出色。在單純的Tessellation計算中，nVIDIA以16倍於AMD的Tessellation處理單元的數量，得到了6倍於AMD的Tessellation處理能力。不過缺點在於，這種設計佔用了CUDA單元的計算能力，前文說過，曲面細分並不是DirectX 11的全部。在實際遊戲中，並不是單純的Tessellation計算。CUDA單元還要處理其他遊戲相關的3D渲染數據，如果遊戲中3D渲染數據處理需求不大，這種設計就不成問題，不過一旦3D渲染數據處理需求很大，比如高解析度，高全屏抗鋸齒，豐富的光影效果等，那麼這種設計的缺陷就會暴露出來。

這就是在3DMARK 11中，GTX460成績不如HD5830的原因之一，3DMARK軟體圖形、光照、抗鋸齒計算壓力很大，GPU還要分出CUDA單元去處理曲面細分計算，因此整體計算能力便捉襟見肘。再比如在《地鐵2033》中，即使GTX580也不能打開全部效果在1080P下全程流暢運行，且表現不及HD5970。這與nVIDIA的曲面細分實現方法也是有關的。

作為Tessellation技術的開發者，AMD(ATI)對曲面細分的態度有所不同。AMD認為，在當前的DirectX 11遊戲中，將一個物體的細分后最小的像素在16個是比較合適的，過分的加大麴面細分負載所帶來的變化，是人的肉眼無法分辨的。因此AMD堅持對模型做適度的Tessellation處理才是理智的，過分的加大Tessellation計算負載，只是在白白浪費計算資源，因為人的肉眼無法分辨。

在Evergreen架構（即HD5000系列）中，AMD秉承了自R600以來的做法，集成了一個專用的Tessellation處理單元。在之後的Northern Islands架構的Barts核心中（即HD6800系列），AMD又對Tessellation處理單元做了優化，通過增強的線程分配模塊設計，Barts核心在低Tessellation計算負載下擁有1.5倍於5800系列的處理能力。當然高負載下仍然不理想。之後的採用Cayman核心的HD6900系列顯卡，則將專用的Tessellation處理單元增加到2個。

AMD這種設計的優點在於，專用的Tessellation單元並不佔用流處理器資源，不影響3D渲染數據的計算。在實際遊戲中，畫面解析度越高，抗鋸齒級別越高，3D渲染處理需求越大，這種設計的優勢就越明顯。

其缺點是，在3D渲染數據處理需求不大時，遇到高負載Tessellation計算，便力不從心。

2011年12月22日，AMD發布了新一代測採用SI GCN架構的AMD Radeon HD7970顯卡。得益於GCN架構，其曲面細分計算能力也得到了飛躍式的發展。HD7970顯卡的曲面細分單元概念被幾何引擎流水線所代替，仍為專用的2個，但是採用了最新的硬體Tessellation迭代單元，提高了頂點的復用度、片外緩存設計有所增強、採用了更大參數的高速緩存，因此HD7970的Tessellation和幾何緩存都有顯著的增強，能在所有拆分倍率下達到4倍於HD6970。與競爭對手相比，HD7970較之於GTX580，以八分之一的幾何引擎數量獲得了1.6倍的性能。特別是這種設計仍不會佔用顯卡的3D數據計算資源。

支持曲面細分技術的硬體

曲面細分技術要求顯卡支持DirectX 11，也就是目前的AMD HD5000、HD6000、基於全新GCN架構的HD7000，HD8000以及GCN1.1/1.2架構的R7 200/R9 200系列顯卡和nVIDIA的GT400、GT500、基於Kepler架構的GT600，GT700（GT800系列顯卡是筆記本上的），基於全新Maxwell構架的GT900系列顯卡（GT800系列顯卡是筆記本上的）。

值得注意的是，微軟在將曲面細分納入DirectX11時，做了優化修改。因此雖然AMD HD2000、HD3000、HD4000系列顯卡也集成了曲面細分單元，但是並不兼容DirectX 11內的曲面細分技術，在DirectX 11遊戲中無法打開Tessellation效果。

支持曲面細分的操作系統

需要操作系統為Windows 7，Windows 8或者升級了DirectX 11的Windows Vista。Windows XP不在支持之列。