【程式】電子妖精與顯卡少女的合作——何謂GPU、Direct3D與OpenGL？

作者：Shark│2019-09-17 01:51:34│巴幣：232│人氣：4558

再寫一篇遊戲程式基礎知識介紹。

為什麼玩遊戲除了CPU以外還需要一個顯示晶片？大家常說的Direct3D和OpenGL是做什麼用的？本篇就來為大家解說。

前一篇「【程式】遊戲程式基本架構」裡提到，遊戲程式是一個迴圈不斷執行「取得輸入、計算邏輯、繪製畫面」，其中「繪製畫面」的計算量特別大。

實際算算看有多少工作量
假設有個畫面大小1024×768，類似AVG的對話系統，每畫上一張圖要更新多少像素。

重疊時為了做到半透明效果，每個像素都要把RGBA分量分開，做這樣的計算。
Cr = ArAa + Sr(1-Aa)
Cg = AgAa + Sg(1-Aa)
Cb = AbAa + Sb(1-Aa)

有3D畫面的話，計算更加複雜。
要用3D幾何學計算頂點在畫面上的位置，假如整個場景有20000個頂點，就要計算20000次。
且每個像素要根據3D空間裡的位置計算亮度，做出光照的效果，如果畫面是1024×768，要算786432次。

很複雜吧，由此可看出繪製畫面的計算有多繁重

—GPU的發明—

即使CPU日新月異，遊戲對畫面的要求也越來越高，只靠CPU無法負荷了。
於是……

有廠商發明新的硬體：顯卡少女……不，是圖形處理器，又稱為顯示晶片、Graphics Processing Unit、GPU。

除了CPU以外，把GPU和一塊專用的記憶體裝上去。

把繪圖要用的資料事先傳到顯示記憶體。

CPU可以做多樣的工作，而GPU做成專門做圖形相關計算，犧牲泛用性達到高速，加上GPU讀取顯示記憶體很迅速，如此就可以快速繪製畫面。

市面上賣的顯示卡，是將顯示晶片和輔助零件：記憶體、散熱器、輸入輸出介面、……整合在一塊電路板上，做成插到電腦上就可以使用的狀態。顯卡包裝上標示「NVIDIA GeForce GTX 960」或「AMD Radeon RX 460」之類的是其核心GPU，核心晶片是顯卡性能的關鍵，所以遊戲的系統需求標示都有顯示晶片這一項，玩遊戲時要注意遊戲可以在哪些晶片執行。

—獨立顯卡與集成顯卡—

上圖有分離記憶體的是獨立顯卡，還有一種做法是CPU和GPU共用主記憶體，稱為集成顯卡(內顯)。

由於存取記憶體跟CPU佔用同一條通道，效能會比同時期的獨顯差，但比較節省成本和電力。

至於集成顯卡實際放在哪裡，以前是主機板上除了CPU以外還要配置一個晶片，稱為晶片組，例如筆者以前有一台筆電是Intel 915GM晶片組，是Pentium M CPU + GMA 900 GPU。
現在大多跟CPU做在同一塊晶片裡，不用額外的晶片了，如Intel HD Graphics、AMD APU、多數電玩主機、以及智慧型手機。

(手機對省電和省空間很要求，必須使用內顯)
(電玩主機把整台機器都用來玩遊戲，不像PC要同時做很多工作，能用比PC低的配備跑相同的程式；而且製造成本要低，否則我們無法用10000元以內買到一台主機，所以也使用內顯)

獨顯和內顯的定義是「是否有專用的顯示記憶體」，獨顯不一定真的有一張獨立的「卡」，筆電的獨顯通常也銲在主機板上。

—何謂Direct3D與OpenGL？—

寫程式時，下指令給顯卡少女叫她們工作的方法，不外乎呼叫函式填入參數。
生產GPU的廠商很多，PC有N牌、A牌、I牌，智慧型手機還有ARM、PowerVR等等更加多樣，假如每家廠商各自開規格呢？

例如把貼圖從主記憶體傳到顯示記憶體：

通用規格在科技業裡一向很重要，於是各大廠商因應需求討論，制定出通用規格。Direct3D與OpenGL就是用來控制GPU的通用規格，即電子妖精和顯卡少女溝通的語言。
有了通用規格以後，晶片廠商生產顯示晶片，以及程式人員寫程式就方便多了。

不管對方是哪家廠商做的，只要呼叫glTexImage2D()，顯卡少女就知道是要傳送貼圖資料。

(詳細來講，各家晶片內部的電路畢竟還是不一樣，底層指令也不同，所以使用者還要安裝廠商提供的驅動程式(driver)，呼叫glTexImage2D()時，驅動程式會產生晶片固有的指令給晶片執行)
(早期還有其他規格存在，如顯卡還沒有3D計算能力時的DirectDraw、曾與OpenGL競爭的Glide，現在已不再使用)

眾所周知，Direct3D是微軟開發的，只能在微軟的作業系統使用(Windows Desktop、Windows App、XBox系列)，OpenGL與後述旳OpenGL ES則沒有限制哪個作業系統能使用它，所以其他作業系統大多用OpenGL。
遊戲機可能有自己的API，但現今各家主機GPU能做的事很相似，各家API大多能找到對應的功能。

—何謂shader？—

或許有人聽過shader這個詞，這又是什麼東西？

一開始控制GPU像是選擇題和填充題，只能在預先設計好的表格裡填參數。這稱為fixed-function pipeline，可翻譯為「固定流程管線」。

(為了便於說明，上面列的設定值比起實際有省略)

隨著3D軟體對畫面的需求增加，GPU必須加入越來越多功能，設定值也愈趨複雜，不斷地增加選項會讓API混亂難以使用。

於是有了另一個發明：shader，兩大陣營分別在D3D 8.0和OpenGL 2.0加入這個功能。

這是讓一部分步驟可以用程式語言寫指令，再把指令給GPU執行，變成像問答題和作文了，靈活度比以往高了很多。這稱為programmable pipeline，可翻譯為「可程式管線」。

有的文章把shader翻譯成著色器，這名稱其實不準確，它的功用不只著色，凡是寫給GPU執行的程式都稱為shader。但中文好像也想不到比較名副其實的名稱，所以平常都用英文shader稱呼。

以下先知道有這些東西存在就好了，詳細可以等真正開始寫shader再學：

最早出現的是vertex shader和pixel shader，把3D繪圖其中兩個步驟變成能寫程式控制，後來又增加了geometry、tessellation和compute三種。

至於寫shader用的程式語言，Direct3D制定的語言稱為HLSL，OpenGL的是GLSL，寫法跟給CPU執行的程式語言(C、C#、Python等)很不一樣。
有些繪圖引擎有自訂的shader語言，像Unity的就是Cg (一個由NVIDIA開發的語言) 加一些客製化而來，引擎內部會把它轉換成D3D和OpenGL看得懂的型式。

—Direct3D與OpenGL的世代演進—

隨著科技演進GPU的功能越來越多，Direct3D與OpenGL也配合新功能推出新版本，常有新功能可以做到≧舊功能，舊功能就不需要的情況。例如有了shader之後打光計算改由shader控制，OpenGL裡glLightfv()、glMaterialfv()之類設定打光的函式就不需要了。

但科技業另一個令人頭痛的問題是向後相容，有些舊程式已經找不到作者或公司改寫成新規格了，但還是有需要使用，要讓這些程式在新硬體也能執行，所以也不能把舊的函式直接移除。

假如把從古到今的功能完全保留在規格書中，這樣規格書裡有一大半是「不建議使用 (deprecated)」、「有替代方法」的，有好幾種方法不知道要用哪一個，會讓人混亂。

因應這個需求，D3D和OpenGL分別做了兩次廢除舊規格的改版：

Direct3D在第10版做了破釜沈舟的改版，使用方法跟D3D9以前完全不一樣，且廢除固定流程管線，使用它一定要學習HLSL，所以D3D10剛出來的時候有很多人說用不慣新的東西。
現在的Windows裡同時裝有D3D10和D3D9的DLL，程式初始化時可以選擇要用哪一個，D3D10是只用新功能，D3D9是可以相容舊功能。
之後的D3D11跟D3D10大同小異。

OpenGL則在3.2版引入了core profile和compatibility profile兩個模式，程式初始化時可以選擇要用哪一個。core是只用新功能，一樣是廢除固定流程管線，必須使用GLSL，用compatibility則是相容舊功能。
OpenGL有個為了手持裝置特製的版本OpenGL ES，也大致是刪除一些可廢除的舊功能，讓規格簡化。
(以前想用用看OpenGL 3.3，花了點時間研究才知道必須建立core profile才能使用，初始化的方法跟以往不同：【程式】新開發機的相容性問題(上))

第二次是Direct3D 12，把10的規格又大改了一次。OpenGL團隊則是開發一個新標準：Vulkan。由於筆者手上有些開發機不支援新標準，目前沒打算使用，對這兩者不是很熟。

學習已經沒有人在用的東西用處不大，不如把時間拿去學習有用的東西，所以假如以後我要寫D3D和OpenGL教學，會從D3D11和OpenGL 3.3教起，不會再用舊版。

—DirectX—

順便提一下DirectX，講到遊戲程式通常都會提到它，這是Windows內建的多媒體函式庫，包含很多部分。
除了用來控制GPU的Direct3D，簡介一下筆者知道的部分。

個人認為目前有使用價值的：

Direct2D	跟Direct3D名稱很像，但並不是用來控制GPU，而是用CPU做2D繪圖，前身是GDI和GDI+。
DirectWrite	繪製點陣或向量字型，必須跟Direct2D同時使用。
XAudio2	用來播放聲音，可以模擬3D場景中，聲音在不同位置發出的效果。
DirectSound	用來播放聲音。照理說可以用XAudio2取代，但Windows 7並沒有內建XAudio2，必須另外裝個runtine才能用，所以我的自製遊戲還是用DirectSound。
DirectCompute	利用GPU的高速運算能力，做圖形以外的數值計算。算是Direct3D的一部分，使用方法是先建立一個D3D device物件，然後寫shader給GPU執行。

個人認為不需要用，或已經被其他東西取代的：

DirectDraw	顯示晶片還沒有3D加速的時代，用來控制顯示晶片的，被Direct3D取代。
DirectInput	讀取鍵盤、滑鼠、手把輸入。Windows API可做到相同的事。
XInput	用在Xbox 360手把或其他廠商做的相容手把(在3C賣場可以看到不少)。應該是為了方便遊戲作者把遊戲從Xbox 360移植到PC上而做的。
DirectPlay	用在網路通訊。用socket也可以做到網路連線。
DirectShow	聲音或影片解碼。被Media Foundation取代。

這次有事耽擱，隔了久一點才發新東西。

雜談：現在有D3D和OpenGL這樣的通用規格，不論PC、遊戲機、手機，控制顯示晶片的方法很一致。查了一些早期遊戲機的資料，即使還沒有3D的時代也有個輔助晶片處理繪圖，那個時代不同主機的CPU和GPU規格差很多，要移植遊戲到不同平台應該很辛苦吧。

也看過一個Sega Saturn模擬器作者說SS的系統跟PC差很多，有很多獨自功能在現在的D3D、OpenGL無法重現出來，因此SS模擬器很難以開發。

關於插圖：

這幾位是同人場上另一個作品《顯卡少女》的角色，本篇跟顯示卡有關係便讓她們客串一下，從目前有的7個角色裡挑幾個來用。(有跟作者知會過會拿他的角色來用)