由于近几年来消费者对于多媒体应用在PC上的需求日益增加及2D/3D在线游戏（On-Line Game）的蓬勃发展，促使各软硬件厂商无论在应用程序编程接口（Application Programming Interface；API）或是在图像处理器（Visual Processing Unit；VPU）的技术突飞猛进及3D效能上不断突破。微软在最近发表最新的API接口DirectX 9.0，此接口除了增加与多媒体PC的硬件兼容性、更进一步增强3D绘图影像的功能。因此，为了呈现视觉效果的优化及真实性，软硬件厂商之间必须透过积极的合作模式和共同拟定解决方案，来满足消费者对于高画质视觉效果的需求。
本文章将首先简略解说何谓DirectX和其运作原理，接下来将介绍DirectX的API接口如何与VPU搭配呈现电影般的视觉效果（Cinematic Visual Effects；CVE）。
何谓DirectX？
DirectX是微软于1995年开发的多媒体应用程序编程接口，API接口可使软件开发人员不需撰写特定硬件的程序，直接进入特定的多媒体硬件功能区进行程序的编辑，简化了软件开发人员在应用研发阶段的流程和硬件在兼容性测试的工作；微软当初设计DirectX的API接口最大目的是为了简易程序设计师们的操作环境和确定与硬件之间的兼容性及稳定性。
由于3D绘图设计师必须在操作系统上开发符合目前潮流的电影般视觉特效，不仅要有最先进的绘图处理器，提供强大的运算效能，还要有支持多项特殊绘图功能的API接口才能将画面质量呈现到最完美的境界；所以微软便推出最新的API接口DirectX 9.0来搭配新一世代的VPU来达成极致的视觉效能，如绘图芯片厂商ATi推出的Radeon R9800Pro VPU拥有强大的3D绘图运算引擎及八条着色管线，每秒可同时输出超过3 Giga以上的画素和3亿8000万个三角形对象并支持所有DirectX 9.0的特殊功能。以下是几种DirectX 9.0所包含的特殊功能：
- ●2.0顶点（Vertex）与画素（Pixel）遮影功能
- ●128-bit浮点色彩样式（Floating Point Colour Formats）
- ●高精准度视觉内存缓冲区模式（High Precision Frame Buffer Mode）
- ●多重着色目标（Multiple Render Targets）
- ●N-patch替代式制图及持续性棋盘式效果填充功能（N-patch Displacement Mapping and Continuous Tessellation）
- ●双边阴影模板加速功能（Two-Sided Stencil Shadow Acceleration）
- ●全景反锯齿及支持多屏幕着色功能（Full Scene Anti-Aliasing；FSAA and Multi-Display Rendering Support）
DirectX运作原理
3D绘图的影像呈现最大的挑战来自于数据储存方面，在真实的世界里，空间可以无限的延伸，但计算机系统却只能储存及运算有限的数据。在我们肉眼中所呈现的计算机世界必须先经过一番繁杂的图像处理及运算过程，将所有的数据和指令数字化之后，才能更真实且更有效率的呈现物体在各种角度、位置、光影上的变化。一般来说，计算机上的3D立体影像是经由一连串的对象分解与组合工作来表现，因此不同对象的呈现模式需透过不同的指令和选项来传达，为了要限制对象表面的数据容量，每一个对象皆由标准的区块所组成，称之为原始架构区块（Primitives）。
目前最常被广泛使用的原始架构区块为多角形区块（Polygons），如(图一)所示，Polygon亦可定义为三个或多顶点拼凑而成的图形。虽然多顶点的呈现位置通常被解释成3D综合坐标轴的相连，但其Polygon自身却是2D的表面。3D物体的呈现模式是经由一连串的Polygon表面组合而成，如此的组合模式可减少系统对于数据储存的要求，其原因为计算机只需呈现对象的表面，而少量的多顶点组合可以保有充份信息以产生大量的画素。目前较佳的Polygon多为三角形，因为只需三个顶点便可以组合而成一个立体的形状并且经由多个Polygon组合之后，便可以呈现出任何的3D绘图形状，如(图二)。
| 《图三 三角形的光栅（Rasterized）过程或顶点群组转换成画素的过程》 | 注:在图中，蓝色方块为画素，而三角形中的白色方块为未能转换成画素的方块。 |
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由此可见，3D绘图的呈现过程是一道非常复杂的过程，就如在工厂里面的制造流程，每一个画素在呈现于显示器之前，都必须先经过多道的处理程序，方能合适于输出。
DirectX与VPU的完美搭配
由于目前大众对于影像真实性呈现于PC上、电视或电影屏幕上的渴望及需求，促成软硬件厂商必须更加专注于3D技术的研发与彼此之间的配合，才能满足消费者。今日的高阶VPU利用多重管线技术或是平行处理运算技术，每秒可处理并输出上千万个Polygon甚至上亿个画素，由前段文章可知，一个完美的3D图形皆由多个Polygon所组成，愈多个Polygon所凑成的画面愈能表现其真实性，其中内存的带宽及架构能影响Polygon的传输速度。另外仍需考虑VPU是否支持DirectX 9.0的特殊功能，如顶点与对象遮影、全时精准浮点运算、多重着色目标、全景反锯齿（FSAA）及非等方性波形过滤器（Anisotropic Filtering；AF）。
在今日3D电影动画与特效的趋势使然下，目前便有许多的电影动画特效设计师采用最先进的VPU与DirectX做搭配，以呈现高画质的目的，如去年奥斯卡最佳电影动画特效得主魔戒二部曲──双城奇谋，便是由高阶绘图硬件支持与软件上的协助。
结语
相信无论是计算机游戏玩家或者是一般消费大众，对于3D立体动画世界的需求将是永无止境的，也因此各绘图芯片厂商在每三至六个月之间便推出新一世代的高效能绘图芯片来满足市场的需求，除了硬件的绘图芯片核心技术之外，软件技术如DirectX 9.0也是非常重要的技术，两者密切配合，才能共同解决并达成各种目标，一齐带领大众更进一步的迈向新视觉感官世界。
（作者任职于冶天科技）
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