微軟亞洲研究院網(wǎng)絡圖形組用計算機展現(xiàn)質(zhì)、色、光、影的極致，詮釋最直觀、震撼的科學之美。

在微軟自主研制的Xbox游戲機里打斗，你可以感受到栩栩如生的虛擬場景：鱗片經(jīng)過陽光折射在劍龍粗糙的身體上泛著光，水波泛起層層漣漪如同置身湖邊，你甚至可以聆聽頭朝下跳入水中時激起一圈圈水花，感受躲避敵人時草葉掃過臉頰的瞬間。

“我想凡是做圖形學研究的人，都有一種強烈的完美主義傾向，我們組的人都概莫能外?！蔽④泚喼扪芯吭壕W(wǎng)絡圖形組主任研究員童欣1999年加入微軟，在計算機上呈現(xiàn)極致的視覺感受一直是他和同事追求的目標。

微軟亞洲研究院網(wǎng)絡圖形組的研究領域主要集中在微軟的圖形系統(tǒng)和平臺以及DirectX和XDK游戲平臺。對于網(wǎng)絡圖形組來說，把創(chuàng)新技術轉化到產(chǎn)品只是第一步，接下來就像用彩線織布，網(wǎng)絡圖形組提供彩線，開發(fā)者再用彩線織出各種樣式。

“在過去的十年里，驅動整個圖形學發(fā)展的關鍵就是GPU(圖形處理器)的發(fā)展，隨著游戲和影視圖像質(zhì)量越來越逼近，我們希望兩者最后能有一樣的生產(chǎn)流程?！盭box上的真實細膩的顯示，正是網(wǎng)絡圖形組利用前沿的圖形技術創(chuàng)造的一條“彩線”。伴隨著Windows 7的發(fā)布，網(wǎng)絡圖形組的創(chuàng)新研究也將影響更多的人，童欣的夢想也越來越接近現(xiàn)實。

windows 7里的中國智慧

微軟的新一代操作系統(tǒng)WindOWS7有一個鮮為人知的特性——自帶了DirectX 11，支持了名為DirectCompute的GPGPU(圖形處理器通用計算)編程接口。也就是說，Windows 7成了第一個原生支持GPGPU的操作系統(tǒng)。有了對GPGPU的支持，Windows 7向眾多的開發(fā)人員和用戶開啟了使用GPU進行并行計算的大門。

“過去的圖形芯片的廠商，會發(fā)布一些專有的API，或者一些專有的程序幫助用戶來做開發(fā)。這樣問題就出現(xiàn)了：用戶不僅需要對硬件有很好的了解，而且當用戶要將應用遷移到另一個GPU上是很困難的，意味著程序要重寫?！蓖缹τ浾哒f。在過去的幾年里，因為游戲和用戶對娛樂需求的驅動，GPU的能力越來越強。同時，開始用GPU做一些通用的計算。而DirectX11在GPU上，提供了一套通用于不同GPU的編程語言。

“從最終的用戶來講，Windows 7提供了很多體驗，從開發(fā)者角度來講，全新平臺提供了很多新的可能性，去開發(fā)更好的、更新的應用。”童欣說。

如何體現(xiàn)出GPGPU的強大威力，怎樣才能向其他開發(fā)人員演示如何使用新的GPGPU接口?

為此，網(wǎng)絡圖形組開發(fā)了兩項基于GPGPU(圖形處理器通用計算)核心技術：DTC(離散紋理壓縮)和ITess(并行幾何鑲嵌)。

創(chuàng)新之美

影響圖像效果有兩方面，一個是模型本身網(wǎng)格的精細程度，包括凹凸等立體的幾何細節(jié)，一個是色彩的變化(材質(zhì)、紋理的變化)。為了在這兩方面提升圖像效果，網(wǎng)絡圖形組可謂絞盡腦汁。

從早期的《玩具總動員》到最新的《冰河世紀3》，大屏幕上那些圓潤精細的模型都少不了細分算法的功勞。但是，這個算法在傳統(tǒng)上只能由CPU完成，因為它涉及到許多不規(guī)則的操作，需要串行地一步步執(zhí)行。如果硬要用GPU來實現(xiàn)，就必須要涉及到大量的外部IO，降低了細分的效率，同時細分的程度也有限制。DirectCompute帶來的新功能使得開發(fā)人員可以更靈活和高效地利用GPU，把那些不規(guī)則操作并行化，而不用任何多余的外部IO。這樣一來，GPU就可以并行地全速執(zhí)行細分。沒過多長時間，網(wǎng)絡圖形組就誕生出了第一個原型演示，并給這個算法起了個名字：iTess，意思是無限細分算法(infinity tessellation)。它可以把輸入的粗糙模型進行無限的自適應細分，得到用戶需要的更為精細的模型。后來，這個演示順利地成為了DirectX 11 SDK的一個例子。

“可以想象，第一，我送給GPU的數(shù)據(jù)是很少的數(shù)據(jù)。第二，我在GPU上可以生成很多的數(shù)據(jù)，最后顯示的質(zhì)量可以達到很高。一方面CPU的計算減少了，另一方面?zhèn)鬏斠矞p少了。這對于游戲和三維形體顯示來講，這是非常有價值的事情?！?/p>

為了顯示圖片的良好效果，一方面要有一個比較精細的幾何模型。另一方面要有非常漂亮的顏色和紋理變化細節(jié)。這樣帶來的問題就是存儲量很大，傳輸也很費時間。于是要做一些壓縮。網(wǎng)絡圖形組很快提供了一種新的紋理壓縮算法，將DirectX 11的計算型渲染器用于紋理貼圖壓縮。新算法質(zhì)量更高，用戶可以快速地看到這個效果，計算也比以前快了幾百倍；對于效果而言，也是很大的提升。

“最大的難點在于我們把這個算法寫出來之后，我們要經(jīng)過很多的討論研究，怎么讓它中間的數(shù)據(jù)結構相關性最小、生成數(shù)據(jù)結構最小，這樣它可以最有效地生成最后的結果?！北M管并不容易，但對于微軟亞洲研究院的研究員們來說，挑戰(zhàn)就意味著突破。

挑戰(zhàn)光影極限

“PC上的GPU從無到有，大概用了兩三年的時間，就超越了當時最先進的圖形工作站能達到的圖形效果，甚至提供了更多的編程的特性。而微軟研究院集中了世界上最優(yōu)秀的一批圖形學的研究員，研發(fā)了一系列基于GPU的算法和軟件。”回想起微軟在圖像學方向的一步步摸索和創(chuàng)新，童欣充滿感慨。

2003年，微軟亞洲研究院網(wǎng)絡圖形組的研究成果——凸凹的感覺樹干，登上了ACM Siggraph ComputerGraphics的封面。在世界頂級學術雜志上發(fā)表論文，也就意味著代表了站在了圖形學的研究的前沿。這一技術隨后被應用于之后發(fā)布的Vista系統(tǒng)。

“在DirectX 11和Windows 7上開發(fā)這個平臺，只是第一步。下一步面臨的更重要問題，就是如何充分使用這一平臺，研發(fā)一系列算法和工具，縮短開發(fā)流程帶給用戶更真、更好的光影效果?”童欣說，“而通用GPU的計算，除了一些圖形的應用，我們更希望把GPU應用到非圖形計算上。這就需要進一步研究利用DirectX 11設計一些更好的API、開發(fā)工具，讓原來熟悉CPU計算的開發(fā)者快速地實現(xiàn)GPU的一些應用，自由的探討這方面應用的可能性?！?/p>

圖形學的一個目標是帶給用戶真實世界一樣的視覺體驗。目前HDTV(數(shù)字電視)的分辨率已經(jīng)能達到1920×1080，PC顯示器的分辨率甚至可以達到更高，這就意味著說我們的游戲可以做到更高的分辨率。童欣希望有一天，人眼看到的精細程度和制成圖像的顯示精細程度是沒有差別的。

“分辨率、光影效果，我們都希望能達到與電影一樣的程度，同時帶給用戶交互的體驗?！北M管還有很多的工作要做，童欣和同事們?nèi)栽凇捌珗?zhí)”地不斷挑戰(zhàn)質(zhì)、色、光、影的極致，詮釋最直觀、震撼的科學之美。