NVIDIA DirectX 11演示DEMO详解

图形技术无论如何发展，终都要落到实际的应用中才有效果。在个人电脑上，图形技术大的用户除了显示UI和操作界面外，就是呈现美轮美奂的游戏场景。说起游戏发展，内容实在太过庞大繁杂，可能三天三夜也说不完。但是，今天我们可以从另一个角度来观察图形技术在这10年时间中的飞跃进步。NVIDIA，作为主要的图形技术领导厂商之一，在2002年和2012年先后发布了名为《Dawn》和《New Dawn》的技术演示DEMO，10年间巨大的图形技术进步令这两款DEMO呈现出难以想象的画质差距。今天，本文就带大家来领略图形技术的巨大进步以及全新的《New Dawn》的神奇魅力。

Dawn，英文可翻译为破晓、黎明。从名字来看，这款DEMO似乎力求为图形技术带来破晓般的曙光。作为技术展示DEMO，NVIDIA在《New Dawn》中倾尽全力，从人物塑造、环境塑造、光线处理、毛发处理上几乎无所不用其极，终我们看到了这个令人惊讶不已的、教科书般的全新DirectX 11图形演示DEMO。

NVIDIA首个人物主题DEMO《Zlotar The Magnificent》

那么，问题就来了，究竟怎样的电脑才能流畅运行《New Dawn》呢？《New Dawn》又应用了哪些令人惊讶的设计和技术呢？它给图形技术带来了哪些指导意义？我们什么时候才可以看到类似《New Dawn》的游戏画面？这些问题，本文将在下文中一一解答。

《Dawn》展示了当时显卡可以达到的高级别画质效果。

你的电脑行不行？

根据NVIDIA官方资料来看，运行《New Dawn》的电脑配置可不低。CPU方面只要是主流的2.5GHz主频的双核心处理器即可满足需求，系统内存要求至少4GB，硬盘空间差不多需要1GB，操作系统自然是Windows Vista或者Windows 7。这些要求看起来并不高，但显卡方面，由于《New Dawn》对性能和画质的苛求，因此至少需要GeForce GTX 670 SLI才能流畅运行。
那么是不是说明低于GeForce GTX 670 SLI的系统就不能跑《New Dawn》了呢？显然不是的。根据笔者测试，一些老的显卡比如GeForce GTX 460或者GeForce GTX 580等，还是可以运行的，只是速度非常慢，卡顿是家常便饭，帧数可能不到10帧。当然，AMD显卡是无法运行这个DEMO的。其中除了有PhysX的因素外，NVIDIA可能也不希望竞争对手的产品可以运行在自家的程序上，这几乎是业界的潜规则了。

总的来看，只要你的显卡档次高于GeForce GTS 450，基本上都可以运行这个DEMO，只是速度就难以保证了。因此，对《New Dawn》感兴趣的玩家都可以下载并尝试运行。卡不卡是一方面，感受一下新的技术才是重要的。

《Dawn》和《New Dawn》有什么渊源？

在运行《New Dawn》之前，我们不妨温故而知新，来看看《New Dawn》和《Dawn》究竟有何关联？

10年前，这款名为《Dawn》的DEMO出现时，带给玩家的是刚进入DirectX 9时代的惊喜和震撼。一个美丽的仙子在幻象的空间中飘扬起舞，她温润的皮肤、细腻的头发代表了那个时代图形技术的巅峰。

《New Dawn》的设置界面非常简单，内容很少。

2002年，NVIDIA第一次启用女性人物角色作为技术展示的DEMO。在此之前，NVIDIA的技术展示多使用了草地、天空、动物等，接近人物的则是展示DirectX 8顶点引擎的《Zlotar The Magnificent》。但《Zlotar The Magnificent》仅仅是一个人物头像而已，并非完整的人物造型。

《Dawn》作为GeForce FX系列的技术展示DEMO发布。一般情况下，在一款架构和技术跨越极大的产品发布后，图形厂商总会发布一款DEMO来展示这款显卡可以达到的高效果。这样做一方面是展示自己的技术，另一方面是指导合作伙伴如何使用该技术。因为图形芯片商总是了解自己的产品的，他们知道如何用代码来描述一种效果，如何优化Shader，如何使用后处理等来达到这款图形芯片在视觉和性能上的好平衡。

《Dawn》的发布在当时引起了很大震动，大家惊叹于其对人物使用了“巨量”的多边形来建模—整个人物使用了高达18万个顶点来达到几乎没有棱角的平滑圆润的过渡状态，这几乎是当时GPU所能达到的计算负荷的上限。在如何处理仙女的皮肤方面，NVIDIA使用了极为精细的纹理来描述仙子富有质感又有点小雀斑的皮肤。毛发是另一个重点，NVIDIA画出了1700根静态毛发，并将其一根根粘贴到人物的头上，然后再给予其相应的光照效果。此外，《Dawn》在当时也拥有不错的光线效果。NVIDIA使用了一种叫做边缘光照的技术来实现逆光下物体的边缘明亮效果，这个技术在今天的应用中几乎已经随处可见了。

《New Dawn》中对曲面细分的大规模应用，主要用于处理树皮等环境部位。

《Dawn》几乎像一个明灯，给10年前所有游戏开发商的技术人员树立了一个高峰。令人遗憾的是，虽然GPU在不断地发展，经过长达10年时间，我们看到主流游戏除了一些大作外，大部分游戏的人物建模的精细程度甚至还远逊于《Dawn》中的精灵，这一点在网游中尤其明显。不知道这样的情况，在下一个10年中，又有多少改善和变化。

从实际运行的对比效果来看，两个DEMO除了仙子长得有点像外，场景和出现的物体基本上都完全不同了，《New Dawn》毫无疑问更细腻、更真实，更先进。

《New Dawn》实际运行体验

从NVIDIA官方网站下载并安装《New Dawn》后，就可以实际运行它来体验惊艳的图形效果了。《New Dawn》的外部图形设置选项非常少，只有垂直同步、分辨率、刷新率、Gamma值以及全屏的设置。基本上没有任何有关图形技术的设置。

开始运行《New Dawn》后，屏幕左上角会显示出比较详细的设置内容。但调节内容除了有景深选项外，并没有类似曲面细分、材质精度、光照等级等常见的图形调节内容。换句话来说，NVIDIA的《New Dawn》基本上没有给出细节选项，因此本文也没有办法为大家展示各种画质和细节设定下的对比情况。

即使如此，《New Dawn》还是用完美的图形表现为我们展示了一个画质达到目前图形技术顶尖水平的场景。下面我们就分别来看《New Dawn》中所出现的各种细节和技术应用情况，并和10年前的Dawn做一些对比。

1.谁的环境更精彩？

《New Dawn》：大规模的曲面细分

曲面细分似乎已经成为DirectX 11的“代言人”，每次说起DirectX 11的画质改变和图形技术的进步，都少不了曲面细分的影子。在《New Dawn》中，NVIDIA使用曲面细分技术为仙子制造了一个相当复杂的森林环境。

目前游戏中对曲面细分的应用主要还是在环境氛围的制造上，其中主要原因是由于曲面细分本身不好控制，需要完全没有任何接缝的模型。对人物而言，大规模使用曲面细分并保证在任何情况下人物模型的稳定和可靠还是有困难的，毕竟人物本身需要做出比较复杂的运动。因此，曲面细分在DirectX 11中目前的主要应用是创造细节更为丰富的环境。在《New Dawn》中，NVIDIA使用了多达400万个三角形来为仙子制造蔓藤、古树等细碎而复杂的场景。其中古树的树皮并非单纯贴图制造，而是采用了真正的曲面细分技术生成，每一个古树树皮上的凹凸不平的感觉都拥有真实的顶点和模型。在《New Dawn》自动播放的开始阶段，DEMO的场景摄像机就从古树的树皮上方经过，玩家可以细致观察曲面细分技术带来的惊人的细节效果。

《Dawn》：简单的立方体贴图

10年前《Dawn》中的仙子只有一根枝条用于立足、周围环境采用了简单的环境立方体贴图。也就是说，《Dawn》几乎没有建立任何复杂的环境，原因是当时显卡性能较差，不足以在复杂的图形环境下运行。

2.谁的人物更逼真？

《New Dawn》：超高精度模型

NVIDIA并没有说明仙子是否也应用了曲面细分技术，不过更为可信的是NVIDIA直接使用了一个精细度极高的模型来完成仙子的模型创建。从技术角度来看，曲面细分本身就是希望节约高精度模型所需要的大量性能而应运而生的“取巧”技术，但在人物难以使用曲面细分的情况下，NVIDIA为了保证整个场景精细度，直接使用了超高精度模型，这需要相当强大的图形处理性能才可以完成。

密集的线框图意味着主角人物超高精度的模型，特别是脸部等重要部位。

《Dawn》：高精度模型

《Dawn》中的仙子采用了一个高精度模型，使用了比较多的多边形。但是相比《New Dawn》中多边形密集到“无法直视”的“变态”程度而言，《Dawn》只是一个普通的高模而已。

3.如何模拟毛发？

《New Dawn》：曲面细分搭配动态物理效果

除了树皮等粗糙的部位外，《New Dawn》中另外一个使用曲面细分的部位是仙子的头发。NVIDIA宣称自己设计了40000根柔软的头发并给这些头发加入了物理效果，以实现头发柔软和飘动的感觉。实际上NVIDIA的确设计了40000根头发，但这些头发原始顶点每根可能只有几个，相当生硬，柔软的效果主要是曲面细分使用后才得以实现。曲面细分在这里的应用可以将原本只有数个顶点的头发，通过细分曲面的方式，大幅度增加顶点，顶点增多后头发可弯折点更多，让头发看起来更柔软自然。当然其中涉及到运动范围约束等问题，详细内容其实相当复杂。总的来说，曲面细分技术所生成的顶点，必须在已有顶点的基础上进行细分，它不能凭空生成独立的物体和单元。经过细分的头发由于顶点增多，更为柔软，视觉效果更为真实可靠，这是曲面细分的一个重要应用。

《New Dawn》中仙子的头发处理堪称一绝，曲面细分营造的柔软细腻效果和物理动态，达到目前头发模拟的高水平。

《Dawn》：静态的固定头发

正和我们前文介绍的一样，《Dawn》中的仙子只有1700根静态头发，这也是目前大部分游戏对毛发处理的手段，简单生硬，没有动感可言。

4.谁的皮肤吹弹可破？

《New Dawn》：超高精度贴图配合次表面散射、特殊纹理处理

人体的皮肤质感是很难用数据来描述的。在之前的《Dawn》中，人物皮肤只使用了高精度贴图而已，乍一看感觉还不错，但质感—一种很奇妙而难以言表的感觉，完全不到位。仅仅使用贴图时，人物的皮肤看多了会感觉缺乏厚度，没有层次，甚至就像墙纸贴在墙面那样。

《Adrianne Curry》的皮肤模拟已经非常到位了。

实际上人物的皮肤分为多层，它在光线的透射、反射下具有不同的效果，类似于半透明的胶质材料，但又没有胶质材料那样均匀。皮肤表层下还有血管和肌肉组织，这些不同材质的物质对光线的不同反射带来了皮肤多样化而又和谐的视觉感，再加上皮肤表面的毛发和毛孔，构成了真实皮肤这一复杂的结构体系。

《New Dawn》中仙子的皮肤堪称一绝，近处观看几可拟真，细节丰富又自然，是目前皮肤处理的佳代表作。

NVIDIA对皮肤质感的研究和处理首先出现在GeForce 7800 GTX的名为Luna的DEMO演示中，NVIDIA设计了专门的皮肤算法（主要是次表面散射技术）来处理角色皮肤。接下来，NVIDIA曾经在G80时代的DEMO《Adrianne Curry》上演示过当时的图形技术所能呈现的皮肤质感的高水准，在《Adrianne Curry》中，名模Adrianne的皮肤使用次表面散射处理后，无论是皮肤的纹理、质感还是毛孔、皱纹等细节效果，都得到了大幅度提升。在《New Dawn》上，NVIDIA利用DirectX 11有关半透明的处理以及次表面散射等技术，呈现了几乎可以乱真的、质感很接近真实皮肤的特殊效果。

《New Dawn》中的边缘光照效果，其实在10年前的《Dawn》中也有应用，只是现在的光照效果更柔和细腻，可能和算法精度大幅度提升有关。

《New Dawn》中仙子的皮肤相比《Adrianne Curry》的皮肤，质感更好，并且柔和度更出色。在一些细节的处理上，NVIDIA利用了高精度的贴图来呈现精细的毛发和皮肤瑕疵。在表现皮肤表面油脂带来的光亮效果上，NVIDIA加入了四个特殊的纹理，来呈现皮肤上油脂的反射效果。终我们看到的人物皮肤和谐而自然，这种自然的表现甚至让玩家初次看到时并不会感到太震撼，但这种真实的质感却是一直存在的。这可能是皮肤处理中令人感到满意的结果了。

《Dawn》：高精度贴图

《Dawn》中的仙子皮肤就比较简单了，本身处理只使用了高精度贴图，没有使用多层半透明处理等先进技术（当时也没出现）。

5.光照谁更真实？

《New Dawn》：HDR、SSAO、体积光照、边缘光照等大规模高精度光照计算

《New Dawn》中的光影效果其实没有特别复杂之处，甚至相比《战地3》中复杂而惊人的光影效果而言，只能说很常规。在《New Dawn》中，场景光照的主要来源依旧是一个主光源，此外还存在一些点光源。光线处理上也只使用了比较常规的体积光、HDR等效果。此外，在夜晚来临时，亮起来的灯笼、飞舞的萤火虫以及一些闪亮的花朵等作为局部动态光源，可以用于照亮周围的事物，动感十足。

阴影方面，NVIDIA使用了透视阴影贴图来实现动态和高质量的阴影效果。此外，加强物体立体感和阴影真实感的SSAO（屏幕空间环境光遮蔽）技术也必不可少，传统一些的技术比如软边阴影等已经成为“标准配置”。《New Dawn》中的阴影效果总的来说也是非常出色的，精度高效果好，技术使用也是恰到好处。

当然，还有一个特殊的光照效果需要提及，它就是边缘光照。一般来说，在逆光状态下，人物出现在镜头中时，在人物边缘总会出现一圈亮度高于背景光的高亮边缘。这个边缘就是逆光的特色，又是图形处理中的难题。NVIDIA使用了一个单独的人物轮廓，在判断是逆光状态时，让光线在人物轮廓周围渗出。这样就实现了优秀的逆光边缘高亮效果，呈现一种独有的半透明状态，视觉效果相当出色。总的来说，《New Dawn》中的光影效果依旧令人赞叹，无论是实际画质还是算法，都成熟而优秀，让人挑不出什么毛病。

《Dawn》：边缘光照

《Dawn》使用了一个全局光源，没有进行特殊光影处理。唯一值得称道的就是边缘光照效果，不过由于计算精度不足，今天看起来略显生硬。

6.谁使用了电影级处理？

《New Dawn》：景深处理

景深效果在DirectX 11游戏中被广泛应用，但如果处理不好、违反光学原理反而会弄巧成拙。在《New Dawn》中，景深效果的处理比较恰当，散景效果柔和，色块融合和扩散都很不错。NVIDIA还特别说明景深效果来自于六边形焦外成像滤镜。在《New Dawn》中，为了获取更为鲜明电影效果，使用六边形光圈可以带来虚化后明显的六角形光斑，其实际效果也很出色。此外，《New Dawn》专门给出了有关景深的调节选项，用户可以根据自己的需要来调节景深效果。可能由于模糊边缘处理和算法检测的问题，在实际运行中还是发现了一些小BUG，比如模糊边缘略微扩大，影响到了本来不应该模糊、应该非常清晰的主角。但瑕不掩瑜，这种小BUG基本上不会带来任何的观赏不适，甚至都难以发觉。

《New Dawn》的景深效果也是目前好的景深效果，焦外奶油般融化的质感无出其右者。

《Dawn》：没有任何类似处理

7.谁的画面更平滑？

《New Dawn》：全新的后处理抗锯齿和毛发抗锯齿

NVIDIA在《New Dawn》中大量使用了FXAA作为主要的抗锯齿模式，需要重点关注的是《New Dawn》中仙子头发的抗锯齿处理。

对于头发这种细小的部件，抗锯齿处理其实是非常困难的。以MSAA多重采样抗锯齿为例，MSAA是一种需要具体像素数值的、查找边缘的抗锯齿算法。它需要物体提供一个可供抗锯齿的边缘，然后用边缘的多个像素来采样、计算，终将得到的值用于抗锯齿中，目的是降低临近像素突兀的变化带来的锯齿感。

但头发是不能这样计算的，因为头发的细节部分甚至小于一个像素。在如此微小的情况下，MSAA等抗锯齿算法无法获得有效的数据用于计算（因为需要抗锯齿的部位甚至比像素还小，无法采样），因此MSAA失效了。通常在这种情况下会采用SSAA，即超级采样抗锯齿。虽然这样可有效降低锯齿，但SSAA也是透明抗锯齿TRAA的主要计算方法，对性能的消耗很大，也不适合大规模使用。

在《New Dawn》上，NVIDIA设计了一种特殊的抗锯齿算法。这种算法可以检测头发的方向，然后在所检测到的方向上进行一定程度的模糊处理。因为头发本身只随着光线变化而变化，因此仅仅需要后期的模糊处理就可以很好地对付锯齿等问题了。从原理来说，《New Dawn》中头发的抗锯齿技术很类似于FXAA、MLAA等后处理抗锯齿技术，但NVIDIA的算法需要额外检测头发的方向，因此也是颇有独特性的。

《Dawn》：Demo没有AA选项，可能并未使用任何AA。

本测试使用了Core i7 2600K搭配Z77主板、12GB DDR3 1600内存，分辨率为1900×1200，操作系统为Windows 7 x64 SP1，所有显卡全部为NVIDIA显卡。

《New Dawn》是一个图形技术应用的经典教科书式DEMO。

性能表现

从测试来看，如此精美的画质对显卡的性能要求极高，只有GeForce GTX 690或者SLI系统才能在基本流畅的情况下驾驭这个DEMO。在单卡中，GeForce GTX 680只能在勉强可观赏的情况下完成整个DEMO的运行。本代高端显卡GeForce GTX 660Ti的表现也只是可看而已，而上代高端产品GeForce GTX 560Ti只有个位数的帧数证明其已经彻底被新的DEMO淘汰了。据此推测，就算上代单核心王者GeForce GTX 580来运行这款DEMO，其性能表现也不会太理想。

究其原因，很可能是开普勒架构大幅度增强了GPU的纹理性能从而大幅度提升了GPU的性能表现。在《New Dawn》中，大量超高精度纹理的使用成为非常普遍的事情。这就要求显卡拥有很强的纹理贴图能力，这一点正是费米架构显卡的缺陷。开普勒架构显卡大幅度增加了纹理性能，重新设计了GPU架构，极大地提升了GPU的效率，在游戏和测试中表现出了非常惊人的性能增长。同样的现象也已经在3DMark 11等测试软件中有所体现。看来高精度纹理的使用，在未来游戏中仍然占有一席之地。

破晓如梦

《New Dawn》体现了目前GPU图形技术的高水准，特别在人物塑造方面，基本上无出其右者。《New Dawn》将又一次成为技术和画质的高峰，给玩家带来无穷的畅想，给技术人员带来更多的技术源泉。

从图形角度来说，相比十年前的《Dawn》，《New Dawn》在画质上的进步堪称翻天覆地。GPU性能的大幅度提升、更大规模和更高精度的计算，带来了图形画质飞跃般的进步。此外，新技术如曲面细分、FXAA、次表面散射、景深效果等全新技术的加入，让这款DEMO本身充满技术看点。再加上美术设计人员精心的设计和调配，玩家终才可以欣赏到如此美轮美奂的场景。

后来给《New Dawn》泼一点冷水。虽然《New Dawn》画质令人叫绝，但是其资源耗费也令人发指。在1080p下要达到流畅效果，需要GeForce GTX 670 SLI这样的顶级配置。很显然，这距离普通玩家太远了，这也意味着普通用户在至少1～2年内都很难享受到类似《New Dawn》的精美画质的实际游戏了。不过考虑到十年前的《Dawn》中的人物效果到现在还有大量游戏无法超越，其实玩家也别灰心，只要期盼下一个十年，能玩到《New Dawn》同档次的游戏，就很不错了。