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從FSR開(kāi)始

2021年6月22日，AMD正式解禁了FSR技術(shù)，這個(gè)于6月初在COMPUTEX上發(fā)布的新技術(shù)能夠讓顯卡游戲性能大幅提升，4K分辨率下最多提升200%。AMD表示，F(xiàn)SR是一項(xiàng)開(kāi)源的跨平臺(tái)技術(shù)，旨在提高游戲幀率的同時(shí)，保證高品質(zhì)、高分辨率的游戲體驗(yàn)。FSR技術(shù)內(nèi)置四檔模式——Ultra Quality模式、Quality模式、Balanced模式以及Performance模式，玩家可以根據(jù)自身需求來(lái)調(diào)整圖像質(zhì)量和性能之間的平衡。

FSR技術(shù)對(duì)新顯卡還是老顯卡都很友好——不僅針對(duì)AMDRadeon RX 5000和Radeon RX 6000系列顯卡（包括移動(dòng)版）進(jìn)行了特別優(yōu)化，同時(shí)還可支持AMD Radeon RX 500系列顯卡、Radeon RX 480/470/460顯卡、Radeon RX Vega系列顯卡、所有配備了Radeon顯卡的AMD銳龍?zhí)幚砥?。更令人感到意外的是FSR技術(shù)開(kāi)源，支持NVIDIA顯卡（部分）！這可比NVIDIA的DLSS技術(shù)聽(tīng)起來(lái)“便宜多了”——畢竟DLSS技術(shù)是NVIDIA顯卡專(zhuān)屬的產(chǎn)物。

目前已經(jīng)有超過(guò)40個(gè)游戲廠(chǎng)商（或游戲引擎）確定支持FSR技術(shù)用以提升游戲運(yùn)行幀率，而且后續(xù)將源源不斷提升游戲支持?jǐn)?shù)量。包括后續(xù)的諸多游戲大作，都將提供對(duì)FSR技術(shù)的支持。

聽(tīng)起來(lái)是不是神乎其技？在這個(gè)顯卡洛陽(yáng)紙貴，如此緊俏的時(shí)機(jī)，F(xiàn)SR技術(shù)仿佛成了一道曙光，讓玩家可以用比較便宜甚至老舊的顯卡，實(shí)現(xiàn)暢玩大作的夢(mèng)想。不過(guò)，你知道它是如何實(shí)現(xiàn)的、游戲又為什么會(huì)如此“費(fèi)”顯卡嗎？這一切，我們不妨從3D圖形是如何生成的說(shuō)開(kāi)去……

3D為什么如此“吃”顯卡資源？

早年的“3D”，實(shí)際上不過(guò)是CPU運(yùn)算而來(lái)，比如《半條命》和《雷神之錘 2》在內(nèi)的很多游戲，內(nèi)部包含一個(gè)軟件渲染器，讓它沒(méi)有3D顯卡也可以正常運(yùn)行。而今的3D圖形則需要顯卡本身進(jìn)行大部分的運(yùn)算，游戲中根本沒(méi)有軟件渲染器這個(gè)設(shè)計(jì)了。

3D圖形怎么產(chǎn)生的？

那么，3D圖形究竟是如何呈現(xiàn)在我們眼前的呢？準(zhǔn)確地說(shuō)，這應(yīng)該被稱(chēng)之為“3D實(shí)時(shí)渲染”。3D是相對(duì)而言的，1D其實(shí)就是指定位在一個(gè)線(xiàn)條中的位置，需要一個(gè)定位軸X軸，如A到B點(diǎn)為500個(gè)像素，這個(gè)線(xiàn)條就可以稱(chēng)之為1D;相對(duì)的2D就復(fù)雜多了，它是一個(gè)平面，需要X、Y兩個(gè)軸的坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣的“面”稱(chēng)之為2D;接下來(lái)自然就是3D了，3D在2D的基礎(chǔ)上多了一個(gè)維度，從定位軸上看，除了X、Y軸之外多了一個(gè)Z軸，用于表明它的維度。3D實(shí)時(shí)渲染，其實(shí)就是即時(shí)對(duì)X、Y、Z軸標(biāo)明的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化渲染，把坐標(biāo)點(diǎn)、坐標(biāo)點(diǎn)之上的信息計(jì)算出來(lái)。

1990年代初的時(shí)候，3D圖形的渲染還處于“靜止”狀態(tài)——簡(jiǎn)單說(shuō)就是需要一幀一幀地進(jìn)行渲染“繪畫(huà)”圖形，然后將每一幀其“連接”起來(lái)形成動(dòng)態(tài)畫(huà)面，這樣做出來(lái)的內(nèi)容，最多就是應(yīng)用到電影、動(dòng)畫(huà)上，根本不可能運(yùn)用到需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示的游戲中來(lái)。

那么3D畫(huà)面的即時(shí)渲染都需要做什么呢？這要從兩個(gè)方面說(shuō)。先是3D圖形的制作，我們看到的3D圖形畫(huà)面，實(shí)際上都是一個(gè)框架的點(diǎn)（X、Y、Z軸）+無(wú)數(shù)線(xiàn)條勾勒而成，早期的3D游戲幾乎都是“大方塊”就很好地表明了這點(diǎn)。比如著名的3D游戲《VR戰(zhàn)士2》、《極品飛車(chē)2特別版》這兩個(gè)“真3D”游戲，以今天的眼光看不過(guò)是一堆大方塊而已。

那么如何計(jì)算這些點(diǎn)、面、線(xiàn)呢？以往這些主要節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算功能，都是依靠CPU來(lái)進(jìn)行的，那時(shí)候的3D顯卡，準(zhǔn)確說(shuō)法應(yīng)被稱(chēng)為“3D加速卡”，游戲只是把繁雜但是“海量”的重復(fù)工作交付給3D加速卡，重要工作還是由CPU計(jì)算。當(dāng)然，這對(duì)CPU本身也是有要求的，199 0年代中期開(kāi)始的IntelPentium MMX、AMD K6-2這些具有多媒體指令集的CPU才能更高效地完成這些工作。

它們的協(xié)同流程基本是這樣的：運(yùn)行游戲后，游戲的軟件渲染API 對(duì)CPU發(fā)出工作“要求”：給我計(jì)算這個(gè)人物的X、Y、Z軸，因?yàn)槭菍?shí)時(shí)渲染，CPU就必須不斷進(jìn)行演算。計(jì)算完畢，把這些“半成品”交給顯卡，包括貼圖的信息（比如哪里要貼什么樣的圖，顏色又是什么）等等。這些內(nèi)容會(huì)依據(jù)API接口來(lái)對(duì)接到顯卡上，比如3 D F X 顯卡的Glide API，（那個(gè)時(shí)代還沒(méi)有DirectX API和OpenGL API），由3D加速卡進(jìn)行輔助運(yùn)算，最終輸出到顯示器上，呈現(xiàn)給我們一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)3D畫(huà)面。

且不說(shuō)因?yàn)樾阅堋⒓夹g(shù)水平的落差，光是這樣的計(jì)算方式，CPU的工作極為繁重不說(shuō)，3D加速卡所能應(yīng)對(duì)的事情也極為有限，游戲3D即時(shí)渲染的畫(huà)面也不可能太過(guò)“精良”。于是人們就開(kāi)始想辦法：我們能不能讓顯卡負(fù)責(zé)絕大部分的3D畫(huà)面即時(shí)渲染工作呢？

于是GPU（Graphics ProcessingU n i t）誕生了—— 帶有硬件T & L 單元的NVIDIA GeForce 256就是典型代表。不同于軟件渲染器，帶有硬件T&L單元的GPU不執(zhí)行具體指令但是可以進(jìn)行大批量重復(fù)、枯燥的運(yùn)算，而CPU每次執(zhí)行指令要重新編程，適合靈活運(yùn)算。

此后，CPU不再進(jìn)行渲染只負(fù)責(zé)“調(diào)度”，而顯卡則負(fù)責(zé)具體工作，就像流水線(xiàn)作業(yè)一樣，效率變得高了許多。隨后不久，微軟就發(fā)布了應(yīng)用在Windows系列系統(tǒng)的開(kāi)放API——Direct 3D（Direct X的子集前身） 、Khronos發(fā)布了可以運(yùn)行于Windows、Unix、Linux（包括基于此的Ubuntu、Macintosh、iOS、Android）在內(nèi)任何系統(tǒng)的開(kāi)源API——Open GL。這些API都用自家的規(guī)則算法，將靜態(tài)渲染效果以更高效呈現(xiàn)在3D即時(shí)渲染中。

其具體流程是用戶(hù)啟動(dòng)應(yīng)用程序（軟件），程序命令CPU從系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)置的某些通用運(yùn)行庫(kù)、運(yùn)行游戲所需資源并將這些加載到內(nèi)存、顯存，隨后呈現(xiàn)游戲的圖形用戶(hù)界面（GUI）。當(dāng)加載達(dá)到一定完成度，CPU開(kāi)始指揮GPU，按照API預(yù)先設(shè)定好的處理方式進(jìn)行預(yù)渲染，渲染完成度達(dá)到100%即可進(jìn)入游戲的實(shí)際渲染畫(huà)面。

遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有這么簡(jiǎn)單……

3D圖形的實(shí)時(shí)渲染聽(tīng)起來(lái)流程很簡(jiǎn)單，實(shí)際上對(duì)系統(tǒng)硬件的性能消耗十分恐怖。即便是諸如《VR戰(zhàn)士2》、《極品飛車(chē)2特別版》這類(lèi)3D“初期”產(chǎn)物，它們的多邊形也是數(shù)以萬(wàn)計(jì)為單位，時(shí)至今日，每一幀畫(huà)面包含的多邊形高達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)之多！注意，這還是每一幀而已哦！

正如筆者所言，當(dāng)3D實(shí)時(shí)渲染的需求與日俱增之時(shí)，硬件也在不斷進(jìn)步。前文所述的“帶有硬件T& L單元的NVIDIAGeForce 256”就是一個(gè)標(biāo)志性產(chǎn)物。所謂的T&L單元，全稱(chēng)是Transform & lighting，是指坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和光源。T&L引擎主要是用來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)處理以及光源映像的運(yùn)算，讓使用者更能感受到物體真實(shí)的光影顯現(xiàn)。過(guò)去，在沒(méi)有T&L引擎的平臺(tái)上，大部分坐標(biāo)處理的工作及光影特效都是由CPU執(zhí)行，但因占用太多的CPU計(jì)算的時(shí)間，而造成整體畫(huà)面的不流暢。因此一旦使用T&L引擎，將可以大大的減輕CPU處理3D時(shí)的負(fù)荷，并且使CPU能夠有更多的資源來(lái)處理更炫的3D特效，提供更好的視覺(jué)效果，所以此時(shí)繪圖芯片在3D圖形計(jì)算能力上已經(jīng)凌駕于CPU之上了。

然而這還不夠，隨著性能需求的大幅度提升，T&L單元設(shè)計(jì)也不足以應(yīng)對(duì)了。這是因?yàn)閳D形處理生成多邊形的過(guò)程中需要加上許多附加運(yùn)算任務(wù)，比如頂點(diǎn)上的紋理信息、散光和映射光源下的顏色表現(xiàn)等等，有了這些就可以實(shí)現(xiàn)更多的圖形效果，也就是可以讓人看起來(lái)更為真實(shí)的畫(huà)面。為了解決這個(gè)問(wèn)題，2001年微軟發(fā)布的DirectX8提出了Shader Model（渲染單元模式），Shader也由此誕生。本質(zhì)上Shader是一段能夠針對(duì)3D圖像進(jìn)行操作并被GPU所執(zhí)行的圖形渲染指令集。通過(guò)這些指令集，開(kāi)發(fā)人員就能獲得大部分想要的3D圖形效果。在一個(gè)3D場(chǎng)景中，一般包含多個(gè)Shader，這些Shader中有的負(fù)責(zé)對(duì)3D對(duì)象頂點(diǎn)進(jìn)行處理，有的負(fù)責(zé)對(duì)3D對(duì)象的像素進(jìn)行處理。所以最早版本的Shader Model 1.0中，根據(jù)操作對(duì)象的不同分別Vertex Shader（頂點(diǎn)著色器/頂點(diǎn)單元，VS）和Pixel Shader（像素著色器/像素單元，PS）。

相比T&L實(shí)現(xiàn)的固定的坐標(biāo)和光影轉(zhuǎn)換，VS和PS擁有更大的靈活性，使得GPU在硬件上實(shí)現(xiàn)了頂點(diǎn)和像素的可編程（雖然當(dāng)時(shí)的可編程特性與現(xiàn)在相比不值一提），反映在圖形特效上就是出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的光影效果，游戲玩家們第一次見(jiàn)到了更加逼真的水面特效。

不過(guò)，這種設(shè)計(jì)也是有缺陷的——頂點(diǎn)渲染和像素渲染各自獨(dú)立進(jìn)行，而且一旦當(dāng)架構(gòu)確定下來(lái)，VS和PS的比例就會(huì)固定，這是無(wú)論如何也無(wú)法更改的。這會(huì)造成一個(gè)問(wèn)題，許多3D渲染場(chǎng)景中，遇到高負(fù)載幾何計(jì)算需求的時(shí)候，VS處理壓力大增，而PS單元工作較少被“閑置”;反之，遇到高負(fù)載像素計(jì)算需求的時(shí)候，PS處理壓力增大，而VS又處于閑置狀態(tài)。

于是，微軟在DirectX 10中提出了統(tǒng)一渲染構(gòu)架的概念。統(tǒng)一渲染架構(gòu)（Unified Shader）是相對(duì)于分離式渲染架構(gòu)而言的，其頂點(diǎn)著色器和像素著色器被合二為一，成為流處理器，避免了傳統(tǒng)GPU架構(gòu)中PS和VS資源分配不合理的現(xiàn)象，也使得GPU的利用率更高。統(tǒng)一渲染架構(gòu)的概念一直沿用至今，一般來(lái)說(shuō)統(tǒng)一渲染架構(gòu)的數(shù)量越多，GPU的3D實(shí)時(shí)渲染執(zhí)行能力就越強(qiáng)，所以統(tǒng)一渲染架構(gòu)的數(shù)量也就成了判斷顯卡性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

不只是圖形

當(dāng)然，顯卡要渲染的3D畫(huà)面絕對(duì)不是只有3D圖形本身，我們自然是希望看到的“越來(lái)越真實(shí)”，這就需要顯卡對(duì)很多物體、材質(zhì)進(jìn)行渲染，運(yùn)算越多細(xì)節(jié)還原就越真實(shí)，當(dāng)然，硬件性能消耗也就越大。比如單單是貼圖材質(zhì)這件事，其所需要的資源就十分恐怖。

現(xiàn)實(shí)世界存在大量細(xì)節(jié)紋理，我們都需要在游戲中模擬還原，細(xì)節(jié)貼圖可以依附在任何貼圖上以增強(qiáng)游戲材質(zhì)的質(zhì)感。比如說(shuō)一件衣服，如果只是單純的衣服外形肯定會(huì)覺(jué)得畫(huà)面好假，但是如果我們把衣服的細(xì)節(jié)都展示出來(lái)，包括編織的紋理，無(wú)疑效果就更加真實(shí)了。

再比如各種光影效果，如果沒(méi)有模擬光影效果，如金屬的反光、水面的倒影、布料對(duì)于光影的反射等等。尤其是近年來(lái)“光影追蹤”技術(shù)的推出，更是讓3D實(shí)時(shí)渲染畫(huà)面看起來(lái)更為真實(shí)——光源不僅僅是單一反射，它的漫反射也至關(guān)重要，畢竟現(xiàn)實(shí)世界中光的反射十分復(fù)雜，這也迫使硬件產(chǎn)品不斷推陳出新。使用了光影追蹤技術(shù)的游戲光源反射會(huì)更為真實(shí)，不再是單一的折射，但是它帶來(lái)的系統(tǒng)性能消耗也是前所未有的，即便是當(dāng)今的頂級(jí)顯卡，也不敢妄言可以滿(mǎn)幀率4K全特效運(yùn)行。

FSR、DLSS因何而生？從DSR、VSR開(kāi)始……

我們一直在說(shuō)，3D實(shí)時(shí)渲染出來(lái)的畫(huà)面是三維的多邊形的組合，既然是多邊形，它就必然會(huì)存在邊緣——這個(gè)邊緣無(wú)論多么細(xì)致，你總能發(fā)現(xiàn)那些鋒利的邊角，尤其是在較低分辨率的設(shè)置時(shí)更為明顯。于是，為了“消除”這些鋒利的邊角，讓圖形看起來(lái)更為精美，抗鋸齒技術(shù)誕生了。

經(jīng)歷了不同時(shí)代的抗鋸齒技術(shù)，2014年前后，NVIDIA和AMD分別推出了各自的抗鋸齒新技術(shù)DSR、VSR。雖然NVIDIA的DSR（Dynamic Super Resolution，動(dòng)態(tài)超級(jí)分辨率）與AMD的VSR（VirtualSuper Resolution，超級(jí)視覺(jué)分辨率）的名字不一樣，但都是在分辨率上做文章，原理也都差不多。DSR和VSR的實(shí)現(xiàn)方式都是在開(kāi)啟之后，利用驅(qū)動(dòng)“騙過(guò)”系統(tǒng)和游戲，讓它們認(rèn)為你得屏幕可以輸出4K分辨率，在選擇4K分辨率之后，游戲就會(huì)以4K分辨率模式工作，GPU內(nèi)部以4K分辨率對(duì)圖像進(jìn)行渲染，最后再以動(dòng)態(tài)縮放的方式將圖像縮放到1080P分辨率上輸出到顯示器進(jìn)行顯示。由于是以4K方式渲染再縮放的，渲染精度得到了提升，縮放后也能帶來(lái)更加精細(xì)的效果。

不過(guò)，這兩項(xiàng)技術(shù)實(shí)際上算是一種“超采樣”的方式，也就是說(shuō)它實(shí)際的渲染運(yùn)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際應(yīng)用的分辨率，對(duì)系統(tǒng)性能的需求非常大。

顯而易見(jiàn)，這兩項(xiàng)技術(shù)的存在還是著重于提升畫(huà)面質(zhì)量為主，總結(jié)起來(lái)，顯卡的負(fù)擔(dān)“越發(fā)沉重”，游戲顯卡似乎只有高端產(chǎn)品才能滿(mǎn)足真正的使用需求，盡管我們有些許的“技巧”去優(yōu)化幀率，但無(wú)論如何都趕不上游戲?qū)ο到y(tǒng)新能需求的提升步伐，這就不是普通用戶(hù)依靠“優(yōu)化”可以改善的，只能在技術(shù)端有所改變才行。

FSR vs DLSS

在NVIDIA推出GeForce RTX顯卡的時(shí)候，除了大名鼎鼎的“光追技術(shù)”之外，還有一個(gè)技術(shù)備受關(guān)注——DLSS，DLSS全稱(chēng)為 Deep Learning Super Sampling（深度學(xué)習(xí)超級(jí)采樣）。由 GeForce RTX GPU上的專(zhuān)用 AI 處理器Tensor Core提供支持，是一個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的全新深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠在提高幀數(shù)的同時(shí)生成精美、清晰的游戲圖像。

它的工作原理是利用NVIDIA神經(jīng)圖形框架NGX，在超級(jí)計(jì)算機(jī)中以極低的幀率和每像素64個(gè)樣本對(duì)數(shù)萬(wàn)張高分辨率的精美圖像進(jìn)行離線(xiàn)渲染，訓(xùn)練出一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?；跓o(wú)數(shù)個(gè)小時(shí)的訓(xùn)練所獲得的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)就可以將分辨率較低的圖像作為輸入，構(gòu)建高分辨率的精美圖像。

簡(jiǎn)單說(shuō)，它需要首先對(duì)游戲畫(huà)面進(jìn)行采樣，在NVIDIA的服務(wù)器上使用4K或者8K超高清分辨率處理，然后降回到游戲分辨率，結(jié)合玩家實(shí)際場(chǎng)景來(lái)提升畫(huà)質(zhì)，同時(shí)運(yùn)行幀率也十分可觀(guān)。而且，這個(gè)過(guò)程顯卡是具備自我學(xué)習(xí)能力的，也就是說(shuō)可以更“精妙”的去處理渲染需求。注意，它的基本思路其實(shí)和DSR沒(méi)有太多區(qū)別，只是實(shí)現(xiàn)的方法有了變化。

不過(guò)，DLSS的開(kāi)啟要求十分苛刻，首先是必須具備光追技術(shù)的顯卡，也就是GeForce RTX系列產(chǎn)品方可，其次游戲必須提供給NVIDIA實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行AI學(xué)習(xí)，常常還得開(kāi)啟光追或超高分辨率這種高負(fù)載模式才會(huì)出現(xiàn)DLSS選項(xiàng)。

AMD的FSR技術(shù)就要“友善”多了，比如前文提及的不僅支持自家多代顯卡，還能夠支持NVIDIA的部分顯卡產(chǎn)品。詳細(xì)的FSR技術(shù)就不過(guò)多解釋?zhuān)钪卑椎睦斫庠谟?，AMD的FSR技術(shù)通過(guò)插值的方法，將采樣后的內(nèi)容通過(guò)填補(bǔ)空白像素的方法插值渲染，這樣可以大幅度提升運(yùn)行幀率的同時(shí)盡量保證畫(huà)面的細(xì)節(jié)還原（當(dāng)然還是有明顯損失的）。

不過(guò)，AMD的FSR技術(shù)不同于NVIDIA的DLSS，后者可以通過(guò)AI技術(shù)進(jìn)行深度自我學(xué)習(xí)、優(yōu)化，F(xiàn)SR不具備這個(gè)能力，所以它只能“另辟蹊徑”——依靠CPU的單指令流多數(shù)據(jù)流單元（SIMD單元）進(jìn)行輔助計(jì)算，也就是說(shuō)，在支持FSR技術(shù)的游戲中，開(kāi)啟FSR技術(shù)獲得更高幀率的前提是：CPU性能要足夠好。

當(dāng)然，鑒于現(xiàn)在顯卡價(jià)格的昂貴程度，把部分壓力釋放到CPU上是無(wú)疑另外一種選擇——從歷史的長(zhǎng)河來(lái)看，CPU和GPU的搭配組合一直就是相輔相成的，追求更快、更好的游戲運(yùn)行效果，CPU和GPU上的開(kāi)銷(xiāo)總要有所付出。