随着微软新一代操作系统Win 7正式面市，微软研究员们也欢欣鼓舞地庆祝这一时刻，因为在这备受瞩目的新产品中，倾注了全球许多研究员们多年的创新和研究。孵化于微软亚洲研究院的DirectX 11就是其中非常重要的一项技术发明。

作者：龚敏敏 网络图形组

随着Windows 7越来越快地奔向广大用户，它所带来的新特性也越来越为人们所知。其中，它有一个鲜为人知的特性——Windows 7自带了DirectX 11，支持名为DirectCompute的GPGPU（图形处理器通用计算）编程接口。也就是说，Windows 7成了第一个原生支持GPGPU的操作系统。有了对GPGPU的支持，Windows 7向众多的开发人员和用户开启了并行计算的大门。

逐步细化现完美

在DirectX 11的开发过程中，产品组的相关人员都在思考着，如何体现出GPGPU的强大威力，怎样才能向其他开发人员演示如何使用新的GPGPU接口？微软亚洲研究院网络图形组(简称IG组) 在GPGPU领域有着多年的研究，积累了大量的技术和经验。于是总部产品组的同事就很自然地找到了我们，想看看我们组有没有什么好的主意。

针对产品组提出的这一需求，很快，我们就提出了可以尝试把三角形细分算法搬到GPU上。细分算法在电影行业应用广泛。从早期的《玩具总动员》到最新的《冰河世纪3》，大屏幕上那些圆润精细的模型都少不了细分算法的功劳。对细分算法的分析可以发现，这个算法在传统上只能由CPU完成，因为它涉及到许多不规则的操作，需要串行地一步步执行。如果硬要用GPU来实现，就必须要涉及到大量的外部IO，降低了细分的效率。DirectCompute带来的新功能使得开发人员可以更灵活和高效地利用GPU，把那些不规则操作并行化，而不用任何多余的外部IO。这样一来，GPU就可以并行地全速执行细分。为了验证想法的呈现效果如何，没过多长时间，我们就诞生出了第一个原型demo。我们给这个算法起了个名字，叫iTess，意思是无限细分算法(infinity tessellation)。它可以把输入的粗糙模型进行自适应细分，得到更为精细的模型。后来，这个demo顺利地成为了DirectX 11 SDK的一个例子。下面的两幅图演示了细分算法的输入和输出。

你可以看到左图，输入的mesh比较粗糙，缺乏细节。右图，经过细分后的模型，精细了许多，更加栩栩如生。

图片压缩显身手

有了与产品组第一次成功的合作，他们又在新项目上寻求了我们的帮助。在计算机图形学中，传统的颜色分量是用0-255来表示的，因而只能表示出256种不同的亮度变化，范围很有限，称为LDR（低动态范围）图像。而新兴的HDR（高动态范围）图像可以表现出数以万计的亮度范围，在很大程度上弥补了传统方法的缺点。但是，随之而来的就是巨大的内存占用。自从《孤岛惊魂》第一次引入HDR以来，它在游戏等软件中的运用日益增加，如何压缩HDR数据已刻不容缓。为此，DirectX 11引入了新的纹理压缩格式，即用于压缩HDR图像的BC6H格式。

同样的，我们可以在左图中看到，LDR图像，对比度小，窗户部分显得灰蒙蒙的。右图，HDR图像可以表示出更大的亮度变化，经过调整后细节更为丰富。

压缩BC6H所需的计算量是非常惊人的。在产品组原先的实现中，这一过程完全靠的是CPU来计算，压缩一张图片往往需要10-20分钟，甚至更久。这对于游戏厂商来说显然是个不可接受的等待时间。为了解决这一难题，我们仍然想到了用DirectCompute来加速压缩的方法，把整个压缩算法拿来分析，改进，使之成为一个并行化的算法，并搬上了GPU。GPU的并行程序不像CPU的程序那样，有成熟的开发环境和各种各样的辅助工具，而且由于并行本身的特点，在调试中经常会同时要观察上万个数据。结果一不小心出了问题，就得花十倍甚至百倍的时间和精力去对付它。比如，我们有一次就遇到了这样一个情况：

经过压缩的图片，有的地方正确，有的地方不正确。有的地方是一种错误，有的地方是另一种错误。比如边缘出现红点，该是绿色的地方却成了蓝色。同时盯着最后结果又不是办法，我们只能把shader里的变量一个一个导出来查看。经过在黑暗道路上的不懈摸索，最后终于把问题解决，并积累了对付此类问题的经验。最终，在不改变压缩质量的情况下，10秒之内就能处理一张图片，速度提高了100倍左右，成为了一个实用的工具。产品组对我们做的东西非常感兴趣，这个压缩程序也成了DirectX 11 SDK的一个例子，并可能在未来版本中进入D3DX库。从此之后，HDR图像不再是内存消耗大户，它能以更快的速度进入平常游戏中，造福所有的游戏玩家。

随着Windows 7的逐渐普及，随着软硬件的不断发展，GPGPU并行计算必将遍地开花，成为每个软件都不可缺少的一部分。虽然那一天的到来还需以时日，但我们通过努力，已经为这个目标迈出了坚实的一步。

作者介绍:

龚敏敏，2006年硕士毕业于中国科学技术大学计算机学院软件工程专业，同年加入了微软亚洲研究院网络图形组，从事图形相关的研究和技术转换工作。兴趣的领域包括实时图形渲染、自然现象模拟、GPU通用计算等。

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