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市场盟主快速更替的绘图芯片生态   【作者： 鄧錫洲】2000年11月01日 星期三

浏览人次：【6228】 对整个PC零组件而言，绘图芯片是规格变动最大，效能提升(指3D效能)最快的零组件。绘图芯片目前维持每六个月效能提升一倍的速度前进，在加入最新的几何打光运算功能(指对3D坐标转换，打光及投影至影幕坐标等功能)后，新一代绘图芯片不仅芯片复杂度超过CPU，且采用最新的半导体制程(0.18微米)，指令周期更将CPU远抛在后，其重要性有逐渐凌驾CPU的趋势。 由于绘图芯片规格变动大，效能提升快，因此绘图芯片市场竞争激烈，盟主的寿命通常为一年左右，「江山代有人才出，一代新人换旧人」乃是绘图芯片市场常上演的戏码。本文将先介绍目前各家绘图芯片厂商的产品现况及方向，接着介绍近两年3D规格的演进(主要以Direct3D API 为主)，然后将简介3D在网络上的应用及遭遇的问题，最后将探讨绘图芯片未来的发展及趋势。 窗口加速卡代言人-S3 S3曾是绘图芯片的一方霸主，尤其是窗口加速卡风行的年代，几乎是绘图显示适配器的代名词。进入3D加速卡的时代，VERGE系列及后续的Trio3D系列在低阶绘图芯片市场有相当的占有率，在高阶产品Savage系列，曾提出材质贴图压缩(S3 Texture Compression;S3TC)技术，此技术可降低绘图内存及带宽的数量，但是因为产品推出时间太慢及效能比平平等因素，并无突出的表现。S3接着并购绘图卡厂商Diamond，尝试掌握通路并转移重心至个人数字装置，并于今年将绘图芯片部门卖给VIA，逐渐淡出绘图芯片市场。 跨日入市场浅尝即止--Intel Intel这家全世界最大的CPU厂商，也曾经企图进入绘图芯片市场，其代表作为i740芯片，这款芯片挟其Intel的品牌，在中阶绘图芯片市场有相当的占有率，并曾造成多家绘图芯片的股价崩跌的现象。Intel接着推出i752芯片，但其效能及规格无法跟上当时的对手，Intel深感绘图芯片的规格变动太快且驱动程序维护耗人耗时，决定退出阶绘图芯片市场，只耕耘整合型的产品(北桥芯片+绘图芯片)，即Intel810及815芯片。 具绝地大反攻架势--ATI ATI这家加拿大的公司原是绘图卡厂商，拥有自有品牌及销售通路，一流的驱动程序质量及效能为其特色。ATI的RAGE系列在64 Bits 3D加速芯片时代，不论在OEM及零售市场皆获得相当的成功，成为继S3之后的新霸主。ATI在128 bits 3D加速芯片时代，其RAGE128系列沉寂了一阵子，直到今年ATI终于推出具几何运算功能及许多先进绘图功能的RADEON256，支持三维立体贴图(图一)，并可同时使用3张的材质贴图，可让整个3D游戏场景变的更加的细致与华丽，这些先进绘图功能均为业界首创之功能，颇有绝地大反击的气势。 《图一 使用三维立体贴图的例子》 专业用户肯定--Matrox Matrox与ATI同样是设在加拿大的公司，拥有自有品牌及销售通路，一流的驱动程序质量及窗口绘图效能为其特色。Matrox提出单显示适配器双屏幕(DualView)的功能，带给用户更大的虚拟桌面空间，尤其适合美工及动画编辑使用。G200及G400系列为Matrox在3D加速芯片的代表作，3D画质及加速性能均为水平之上，并提出先进的凹凸材质贴图(Bump Mapping)技术，为原本平滑无奇的材质贴图，加上凹凸有致及光影的变化，让整个3D游戏场景变的更加的细致与华丽(图二)。Matrox在美工及动画编辑的专业用户领域，将持续占有一定的市场。 《图二 使用凹凸材质贴图技术的例子》 Voodoo系列引领风行--3Dfx 3Dfx的Voodoo系列拥有3D画质佳及加速功能优异等特色，向来是3D游戏性能狂的首选绘图卡，尤其在微软Direct3D API尚未广泛被3D游戏厂商所采用，而3Dfx独家的Glide API为许多3D游戏厂商所接受，造成Voodoo系列的风行。不过3Dfx独家的Glide API终究敌不过微软挟其Windows操作系统的优势，被Direct3D逐出市场，丧失其3D游戏的优势。 后续的Voodoo4及Voodoo5系列一样强调3D画质，为第一家提供"全景去锯齿边"(Full Scene Anti-aliasing)技术的绘图芯片厂商，此技术带给3D游戏性能狂更柔美的画面及效果。3Dfx接着并购绘图卡厂商STB，尝试掌握通路并提高获利，3Dfx最近又购并Gigapixel公司，将产品往IA及Set Top Box延伸，此举能否成功，有待时间来证明。 获游戏大厂SEGA青睐--PowerVR PowerVR采用"以方块为单位上色"(Tiled-Based Rendering Pipeline)的非传统3D硬架构设计，此种设计能大幅地减少"Z-Buffer"隐藏面去除法所需要之内存带宽，并可使用较少的内存来达成"全景去锯齿边"的效果。PowerVR2获得游戏机大厂SEGA的青睐，成为SEGA SATURN第二代游戏机的绘图芯片，其3D画质及加速性能均不逊于SONY PS2。半导体大厂ST取得PowerVR的技术授权，推出最新的PowerVR3(Kyro)绘图芯片主推PC市场，为新加入的绘图芯片厂商。以Kyro的3D画质及加速功能，势必能占有一席之地。 低阶市场寻求定位--SiS SiS这家国人自行研发的绘图芯片厂商以6326系列切入低档市场，其3D效能平平，价格低是6326唯一的优势；后续的300系列由于产品推出时间太慢及效能比平平等因素，并无突出的表现。不过SiS 300可搭配3D立体眼镜，让3D游戏迷能有身历其境的感受，为低阶绘图芯片市场区段不错的选择。 具一统绘图芯片市场架势--nVIDIA nVIDIA这家刚获得「硅谷最快速成长的科技公司」殊荣的绘图芯片厂商，以128 Bits 3D绘图芯片规格切入市场，RIVA128及TNT系列优异的加速性能打响nVIDIA的名号，后续的TNT2系列更将其他对手抛在后头，最新的GeForce系列引进"绘图加速处理器"(Graphics Processing Unit;GPU)的概念，支持"几何打光运算功能"(Transformation & Lighting functions：指对3D坐标转换，打光及投影至影幕坐标等功能)硬件加速，这项功能将提升3D游戏人物及场景的多边形(Polygons)数目约100倍，从目前的数千片(Quake3约6000片)至数十万片的规模，将原本粗糙简单的3D游戏人物及场景：(图三)为Quake3的人物造型，提升至如迪斯尼【虫虫危机】动画片的水平：(图四)为微软XBox的展示游戏的画面。nVIDIA的产品线非常整齐，从低阶的M64、中阶的TNT2到高阶的GeForce系列，几乎占据所有的绘图芯片产品区段，最近即将推出整合型的产品，颇有一统绘图芯片市场的架势。 《图四 微软XBox的展示游戏的画面》

3D规格的演进

OpenGL规格是早期3D绘图工作站(如SGI)的3D规格，其规格是由几家系统及绘图芯片厂商所组成的协会OpenGL Architecture Review Board所制定的，其优点为稳定、易学及跨平台(可支持Linux、Mac及Windows等操作系统)。Direct3D规格为微软为其Windows操作系统所推出的3D规格，早期的Direct3D由于不稳定，难学且相关书籍文献少，素为3D游戏厂商所报怨；不过微软挟其Windows操作系统的优势及改进，及以暧昧不明的态度来支持OpenGL规格，Direct3D规格终于成为主流操作系统的3D规格。

不过近来Linux操作系统窜起，OpenGL规格跨平台的特性又获得许多3D游戏厂商所使用，形成两种Direct3D与OpenGL规格并存的局面，目前Direct3D(DirectX 8)规格已超越OpenGL 1.2规格，本篇文章将以Direct 3D的演进来介绍新一代3D绘图芯片的规格。

DirectX 6

多张材质贴图混色功能

DirectX 6引进"多张材质贴图混色"(Multi-Texture Blending)的技术，3D游戏厂商可设计材质贴图(Base Texture)，打光贴图((Light Map Texture)及纹理贴图((Details Texture)等各式各样的材质贴图进行混色，让3D人物及场景更绚丽、更细致。ATI Radeon系列可同时支持3张材质贴图，为目前最佳的规格，其他各家均可同时支持2张材质贴图，(图五)为使用多张材质贴图的例子。

《图五 使用多张材质贴图的例子》

凹凸材质贴图功能

凹凸材质贴图(Bump Mapping)技术亦是DirectX 6重要的特点，使原本平滑无奇的材质贴图，加上凹凸有致及光影的变化，让整个3D游戏场景变的更加的细致与华丽。目前有ATI Radeon系列及Matrox G400系列均可支持凹凸材质贴图技术。

材质贴图压缩功能

材质贴图压缩(S3 Texture Compression;S3TC)技术可降低绘图内存及带宽的数量，增进材质贴图的分辨率及画质，并提升3D游戏执行的效能，目前各家均可支持材质贴图压缩技术。

DirectX 7

几何打光运算功能

几何打光运算功能(Transformation & Lighting Functions)是指将3D对象的坐标从对象坐标系统转换到摄影机坐标系统，然后执行打光的计算，算出3D对象反映光源(自然光源、点光源及投射光源)的颜色，接着将3D对象的坐标从对象坐标系统投影到屏幕坐标系统，这中间须执行"多边形切除"(Clipping)的动作，将投影到屏幕坐标之外的多边形切除，并将切除过的多边形转为三角形交给绘图芯片上色。

几何打光运算需要许多数学矩阵及函数的运算，通常是由CPU来执行。DirectX 7开启硬件加速几何打光运算的新页，也让绘图芯片成为PC的第二颗处理器。nVIDIA GeForce系列及ATI Radeon系列均可支持几何打光运算功能，nVIDIA GeForce 2 UhTra每秒可转换3千2百万个三角形，远超过最快的CPU可转换的三角形数目，可将原本粗糙简单的3D游戏人物及场景，提升至如迪斯尼【虫虫危机】动画片的水平。

立方体映像贴图

传统的环境贴图(Environmental Mapping)是利用鱼眼镜头拍摄360度的环场图档，再利用椭圆形贴图(Sphere Map)技术即可做出金属表面反射环境图像的效果，由于只用一张360度的环场图档，当物体转动到某些角度时会出现贴图裂缝。立方体映像贴图(Cubic Mapping)使用6张环场图档(就像密闭空间的6面墙)，利用光线的反射向量或多边形的法向量，即可做出金属表面反射环境图像的效果(图六)。nVIDIA的GeForce系列及ATI的RADEON系列均可支持立方体映像贴图的功能。

《图六 使用立方体映像贴图的例子》

DirectX 8

微软在DirectX 8程序接口做了相当大的改善，并提供更多的文件及范例，以及强调用Visual Basic语言也能撰写3D的应用，期望更多人能写出更多的3D应用程序。DirectX 8亦引进更先进的3D规格如下：

三维立体贴图

三维立体贴图(3D Texture Mapping)主要可用来显示计算机断层扫瞄图形，将一层一层的计算机断层扫瞄图形，以三维立体贴图的方式呈现。新的应用包括三维立体打光贴图(3D Light Map)可仿真非常复杂的打光效果(图七)，以及三维立体切除贴图(3D Clipping Map)可以任意形状的三维立体屏蔽对3D对象进行切除。过去的三维立体贴图由于需要相当多的绘图内存而未能普及，新一代的三维立体贴图支持材质贴图压缩技术，此技术可降低绘图内存及带宽的数量。ATI RADEON系列可支持三维立体贴图功能。

《图七 以三维立体贴图的方式仿真非常复杂的打光效果的例子》

点状小方块(Point Sprite)

Point Sprite按字义指"点状小精灵"，在3D图学是指"点状小方块"。当3D游戏要做出爆炸、火花、雨滴、雪花等多数量粒子(Particle)运动效果时，若使用2个小三角形去画这些小粒子，则会浪费传输带宽及几何打光运算时间，点状小方块功能可大幅地减少传输带宽及几何打光运算时间(约使用2个小三角形的四分之一)。为使用点状小方块的例子。

顶点上色器

三个顶点组成一个三角形是3D图学的基本知识，每个顶点带有物体坐标、法向量、颜色及贴图坐标，传统的几何打光运算功能(指DirectX 7)将3D对象的坐标从对象坐标系统转换到摄影机坐标系统，然后利用法向量执行打光的计算，算出3D对象反映光源(自然光源、点光源及投射光源)的颜色，这些运算的公式是固定的；DirectX 8的顶点上色器(Vertex Shader)功能可让3D游戏设计师研发新的公式，做出独一无二的几何打光运算效果，并可改变物体坐标达到物体变形，扭曲及凹凸不平的效果(图八)。

《图八 使用顶点上色器达到物体变形效果的例子》

色点上色器

3D绘图芯片根据三角形三个顶点的信息(物体坐标、法向量、颜色及贴图坐标)，以内插法的方式算出三角形内部每个色点(Pixel)的信息，然后取出材质颜色、物体颜色及背景颜色进行混色，DirectX7及OpenGL 1.2皆有定义其混色的公式；DirectX 8的色点上色器(Pixel Shader)功能可让3D游戏设计师研发新的公式，做出单色点打光(Per-pixel Lighting)及非对称性表面材质打光(如金属刮痕及唱片刮痕)，可达到好莱圬动画影片的水平(图九)。

《图九 使用色点上色器的例子》

由DirectX规格的演进，可以看到绘图加速处理器(GPU)可执行几何打光运算功能，分担CPU的计算负担，让CPU有能力去运算更复杂物理特性及人工智能，因此未来的3D游戏将更逼真更有挑战。

3D在网络上的应用及困难

3D在因特网的应用主要为3D目录、3D虚拟商场、群体设计辅助及3D虚拟社区等。3D目录(图十)可提供购物者更精确的尺寸、外观及使用方式，购物者可上下左右地转动商品，并可改变颜色及尺寸，也可选择适合购物者尺寸的3D虚拟模特儿来展示商品的效果。

《图十 3D目录的例子》

3D虚拟商场提供一个虚拟的购物商场，有3D虚拟售货员招揽生意，让购物者有身历其境的感受；群体设计辅助让分布在全球各地的设计团队，可透过因特网的便利性，共同检视设计的3D模型，实时的交换意见，降低交通费用及提升效率。3D虚拟社区提供一个虚拟的社交场所(图十一)，参与者可选择一位虚拟的人物造型，代表参与者在虚拟的社交场所活动并与人交谈。3D虚拟社区为原本平淡无奇的虚拟社区接口加入立体的空间及互动的机制，带给参与者更多的乐趣。

《图十一 3D虚拟社区的例子》

3D在网络上的困难主要还是网络带宽不够，因为平滑细致的3D模型需要大量的多边形来组成，华丽的背景及材质贴图也需要大量的网络带宽来传送，而目前许多3D软件公司尝试解决下列的问题：材质贴图压缩、3D模型几何压缩(Geometry Compression)、累进(Progressive Mesh)3D模型、高阶曲面(Surface)3D模型。由于越来越多的PC平台具备3D绘图芯片，且宽带网络也越来越普遍，3D在因特网的应用已逐渐引起注意，未来用户将可看到更新更有趣的3D因特网接口与应用。

绘图芯片未来的发展及趋势

整合型的绘图芯片(指整合绘图芯片及北桥芯片，如Intel 815及SiS 630)可使PC系统成本降低，广为OEM客户市场接受，以逐渐取代低档的绘图芯片，但由于其扩充性较无弹性，零售市场接受程度不如预期。不过新型的整合型的绘图芯片已加入扩充插槽，将持续扩张其占有率。

低档的绘图芯片以64 Bits 3D绘图芯片为主流，中阶的绘图芯片以128 Bits 3D绘图芯片为主流，高阶的绘图芯片都以256 Bits(如ATI Radeon256及nVIDIA GeForce256等)为号召，其重点为使用DDR内存，使得绘图芯片可使用2倍的内存带宽，在高分辨率及全彩模式下保有超高的加速性能。

随着半导体制程的进步，现有的中阶的绘图芯片将使用更新的半导体制程来降低成本，进而抢占低档的绘图芯片的市场，同样地，现有的高阶的绘图芯片也会使用更新的半导体制程来降低成本，进而抢占中档的绘图芯片的市场;因此，绘图芯片的进步时程与半导体制程的进步时程有相当密切的关系，尤其这一代的高阶的绘图芯片的复杂度及芯片面积已超越CPU的复杂度及芯片面积，对于半导体制程的倚赖更为严重。

结语

绘图芯片厂商不断地提升3D的规格及加速性能(nVIDIA大约每6个月推出一个新产品)，但是3D应用程序和3D游戏开发的速度却远落后绘图芯片的规格及加速性能，因为3D应用程序和3D游戏开发厂商希望其产品可在大多数的PC执行，造成只有3D测试程序(如3D Winbench 2000及3DMark 2000等)才能测出其价值，造成用户买了高阶卡却苦无3D应用程序和3D游戏可展现其威力的窘况。

此窘况可望于明年微软推出"X Box"游戏机后得到纾解，因为微软的"X Box"游戏机采用nVIDIA史上最强的3D绘图芯片，每秒可转换1亿2千5百万个三角形，约为nVIDIA GeForce 2 UhTra的4倍效能，因此"X Box"游戏机的游戏势必精采可期。由于X Box采用微软的Direct X 8的3D API，因此"X Box"游戏机的游戏很容易可移植到PC，届时高阶卡就可展现其威力了。