从点到面、从黑白到彩色,一步步绘出奇幻世界的显示卡

每当要购买新电脑时,商家大多会询问是否有游玩游戏的需求。如果答案为是,商家便会在销售时,特别强调该款电脑採用哪一张独立显示卡,可以完美的游玩该年度的游戏大作。此外,Apple 在 3 月 21 日的发表会中,发表了 iPhone SE。在会中,便强调 A9 晶片的 GPU 效能和 iPhone 5s 相比,提升了 3 倍,为使用者带来更佳的游戏体验。究竟是什幺因素,让电脑商总是将显示卡和游戏拉上等号?

显示卡,正式名称为图形处理器(Graphics Processing Unit),常以 GPU 做简称。GPU 主要是负责绘製影像以及影像输出,像是绘出游戏的画面以及将 3D 製图的画面输出至萤幕上。因此,对于游戏玩家或是做电脑绘图、动画的人而言,显示卡扮演着至关重要的角色。

逐年增加的画面品质要求,将 GPU 推上舞台

在第一台个人电脑发表时,因为电脑主要是给工程师使用而且电脑游戏才刚起步,对图形的需求仅为基本的文字显示和点线间的相连,因此画面处理的功能大多是隶属于 CPU 下的一项功能。也因为尚未注意到图形处理的重要性,所以还没有图形处理器这个名词。

后来,在 Apple 发表具有视窗介面 Macintosh 后,各类採用图形介面的应用程式开始发展,CPU 开始无法负荷与日渐增的图形处理需求。此外,随着图形介面开发工具的成熟,电脑游戏的画面变得越来越细緻。庞大的显示负担,一举让显示加速卡跃上舞台,取代 CPU 的图形工作。

直到 1999 年,Nvidia 发表了 Geforce 256,将显示加速卡重新命名为 GPU。从此,显示卡取得一个专业的名称,并成了和 CPU 一样重要的电脑元件。然而,绘製影像究竟有哪些事情要处理,而会造成 CPU 庞大的负担?

图形处理,化虚拟为真实

电脑的图形处理,可以大致分成 5 个步骤,如下图箭头的部分。分别为 vertex shader、primitive processing、rasterisation、fragment shader、testing and blending。

从点到面、从黑白到彩色,一步步绘出奇幻世界的显示卡 三维座标绘图并产生萤幕输出的图形。

第一步,vertex shader。是将三维空间中数个(x,y,z)顶点放进 GPU 中。在这一步骤中,电脑会在内部模拟出一个三维空间,并将这些顶点放置在这一空间内部。接着,投影在同一平面上,也是我们将看到的画面。同时,存下各点距离投影面的垂直距离,以便做后续的处理。

这个过程就像是在地球观看星星一般。地球的天空,就像是一个投影面,所有的星星,不管远近皆投影在同一面上。在地球的我们,抬起头来观看星星,分不出星星的远近,只能分辨出亮度。GPU 所投影出的结果,和这个情况类似。

从点到面、从黑白到彩色,一步步绘出奇幻世界的显示卡 从地球所看到的星空,星星就像是投影到一球面上,除非使用特别的仪器,不然分不出星星和地球的距离。

第二步,primitive processing。是将相关的点连结在一起,以形成图形。在一开始输入数个顶点进入 GPU 时,程式会特别注记哪些点是需要组合在一起,以形成一线或面。就像是看星座的时候一样,将相关连的星星连起来,形成特定的图案。

第三步,rasterisation。因为电脑的萤幕是由一个又一个的像素组成,因此,需要将一条连续的直线,使用绘图的演算法,以方格绘出该直线。图形也是以此方式,先标出边线,再用方格填满整个平面。

第四步,fragment shader。将格点化后的图形着上颜色。所需着上的颜色也是于输入时便被注记。在游玩游戏时,这一步相当耗费 GPU 的计算资源,因为光影的效果、物体表面材质皆是在这一步进行,这些计算决定着游戏画面的精细程度。因此在游玩游戏时,调高游戏画面品质大幅增加这一步的计算负担,降低游戏品质。

从点到面、从黑白到彩色,一步步绘出奇幻世界的显示卡 将一个三角形,用方格呈现近似原始图案,并着上颜色。一块又一块的方格,就是显示器上的像素。

最后一步,testing and blending。便是将第一步所获得的投影垂直距离取出,和第四步的结果一同做最后处理。在去除被会被其他较近距离的物体挡住的物体后,让剩下的图形放进 GPU 的输出记忆体。之后,结果便会被送到电脑萤幕显示。

显卡效能,决定游戏画面的解析度及品质

至此,我们了解要将游戏画面输出到萤幕上需要经过相当多的步骤。一步又一步的繁複计算流程,让 CPU 吃不消。此外,现行萤幕解析度有不断提升的趋势,此趋势将大幅增加显示卡的负担,因为越高的解析度便代表有更多的点需要被计算,需要用更多时间才能完成上述的步骤。

另外,当我们调高游戏的画面品质,将大幅增加第四步的计算量,因为有更多的细节需要被加进游戏的画面里。因此,才会有前两代的顶级显示卡,将等于现行高等显示卡效能的说法。毕竟游戏是能吃掉大量计算资源的怪物。

也因此,在 GTC 2016 上,GPU 大厂 Nvidia 的 CEO 黄仁勋便说到:

总体而言,说游戏是推动科技发展的其中一个推力也不为过呢!


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