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市場盟主快速更替的繪圖晶片生態   【作者： 鄧錫洲】   2000年11月01日 星期三

瀏覽人次：【8098】 對整個PC零組件而言，繪圖晶片是規格變動最大，效能提昇(指3D效能)最快的零組件。繪圖晶片目前維持每六個月效能提昇一倍的速度前進，在加入最新的幾何打光運算功能(指對3D座標轉換，打光及投影至影幕座標等功能)後，新一代繪圖晶片不僅晶片複雜度超過CPU，且採用最新的半導體製程(0.18微米)，運算速度更將CPU遠拋在後，其重要性有逐漸凌駕CPU的趨勢。 由於繪圖晶片規格變動大，效能提昇快，因此繪圖晶片市場競爭激烈，盟主的壽命通常為一年左右，「江山代有人才出，一代新人換舊人」乃是繪圖晶片市場常上演的戲碼。本文將先介紹目前各家繪圖晶片廠商的產品現況及方向，接著介紹近兩年3D規格的演進(主要以Direct3D API 為主)，然後將簡介3D在網路上的應用及遭遇的問題，最後將探討繪圖晶片未來的發展及趨勢。 視窗加速卡代言人-S3 S3曾是繪圖晶片的一方霸主，尤其是視窗加速卡風行的年代，幾乎是繪圖顯示卡的代名詞。進入3D加速卡的時代，VERGE系列及後續的Trio3D系列在低階繪圖晶片市場有相當的佔有率，在高階產品Savage系列，曾提出材質貼圖壓縮(S3 Texture Compression;S3TC)技術，此技術可降低繪圖記憶體及頻寬的數量，但是因為產品推出時間太慢及效能比平平等因素，並無突出的表現。S3接著併購繪圖卡廠商Diamond，嘗試掌握通路並轉移重心至個人數位裝置，並於今年將繪圖晶片部門賣給VIA，逐漸淡出繪圖晶片市場。 跨日入市場淺嚐即止--Intel Intel這家全世界最大的CPU廠商，也曾經企圖進入繪圖晶片市場，其代表作為i740晶片，這款晶片挾其Intel的品牌，在中階繪圖晶片市場有相當的佔有率，並曾造成多家繪圖晶片的股價崩跌的現象。Intel接著推出i752晶片，但其效能及規格無法跟上當時的對手，Intel深感繪圖晶片的規格變動太快且驅動程式維護耗人耗時，決定退出階繪圖晶片市場，只耕耘整合型的產品(北橋晶片+繪圖晶片)，即Intel810及815晶片。 具絕地大反攻架勢--ATI ATI這家加拿大的公司原是繪圖卡廠商，擁有自有品牌及銷售通路，一流的驅動程式品質及效能為其特色。ATI的RAGE系列在64 Bits 3D加速晶片時代，不論在OEM及零售市場皆獲得相當的成功，成為繼S3之後的新霸主。ATI在128 bits 3D加速晶片時代，其RAGE128系列沉寂了一陣子，直到今年ATI終於推出具幾何運算功能及許多先進繪圖功能的RADEON256，支援三維立體貼圖(圖一)，並可同時使用3張的材質貼圖，可讓整個3D遊戲場景變的更加的細緻與華麗，這些先進繪圖功能均為業界首創之功能，頗有絕地大反擊的氣勢。 《圖一　使用三維立體貼圖的例子》 專業使用者肯定--Matrox Matrox與ATI同樣是設在加拿大的公司，擁有自有品牌及銷售通路，一流的驅動程式品質及視窗繪圖效能為其特色。Matrox提出單顯示卡雙螢幕(DualView)的功能，帶給使用者更大的虛擬桌面空間，尤其適合美工及動畫編輯使用。G200及G400系列為Matrox在3D加速晶片的代表作，3D畫質及加速性能均為水準之上，並提出先進的凹凸材質貼圖(Bump Mapping)技術，為原本平滑無奇的材質貼圖，加上凹凸有致及光影的變化，讓整個3D遊戲場景變的更加的細緻與華麗(圖二)。Matrox在美工及動畫編輯的專業使用者領域，將持續佔有一定的市場。 《圖二　使用凹凸材質貼圖技術的例子》 Voodoo系列引領風行--3Dfx 3Dfx的Voodoo系列擁有3D畫質佳及加速功能優異等特色，向來是3D遊戲性能狂的首選繪圖卡，尤其在微軟Direct3D API尚未廣泛被3D遊戲廠商所採用，而3Dfx獨家的Glide API為許多3D遊戲廠商所接受，造成Voodoo系列的風行。不過3Dfx獨家的Glide API終究敵不過微軟挾其Windows作業系統的優勢，被Direct3D逐出市場，喪失其3D遊戲的優勢。 後續的Voodoo4及Voodoo5系列一樣強調3D畫質，為第一家提供"全景去鋸齒邊"(Full Scene Anti-aliasing)技術的繪圖晶片廠商，此技術帶給3D遊戲性能狂更柔美的畫面及效果。3Dfx接著併購繪圖卡廠商STB，嘗試掌握通路並提高穫利，3Dfx最近又購併Gigapixel公司，將產品往IA及Set Top Box延伸，此舉能否成功，有待時間來證明。 獲遊戲大廠SEGA青睞--PowerVR PowerVR採用"以方塊為單位上色"(Tiled-Based Rendering Pipeline)的非傳統3D硬架構設計，此種設計能大幅地減少"Z-Buffer"隱藏面去除法所需要之記憶體頻寬，並可使用較少的記憶體來達成"全景去鋸齒邊"的效果。PowerVR2獲得遊戲機大廠SEGA的青睞，成為SEGA SATURN第二代遊戲機的繪圖晶片，其3D畫質及加速性能均不遜於SONY PS2。半導體大廠ST取得PowerVR的技術授權，推出最新的PowerVR3(Kyro)繪圖晶片主推PC市場，為新加入的繪圖晶片廠商。以Kyro的3D畫質及加速功能，勢必能佔有一席之地。 低階市場尋求定位--SiS SiS這家國人自行研發的繪圖晶片廠商以6326系列切入低檔市場，其3D效能平平，價格低是6326唯一的優勢；後續的300系列由於產品推出時間太慢及效能比平平等因素，並無突出的表現。不過SiS 300可搭配3D立體眼鏡，讓3D遊戲迷能有身歷其境的感受，為低階繪圖晶片市場區段不錯的選擇。 具一統繪圖晶片市場架勢--nVIDIA nVIDIA這家剛獲得「矽谷最快速成長的科技公司」殊榮的繪圖晶片廠商，以128 Bits 3D繪圖晶片規格切入市場，RIVA128及TNT系列優異的加速性能打響nVIDIA的名號，後續的TNT2系列更將其他對手拋在後頭，最新的GeForce系列引進"繪圖加速處理器"(Graphics Processing Unit;GPU)的概念，支援"幾何打光運算功能"(Transformation & Lighting functions：指對3D座標轉換，打光及投影至影幕座標等功能)硬體加速，這項功能將提升3D遊戲人物及場景的多邊形(Polygons)數目約100倍，從目前的數千片(Quake3約6000片)至數十萬片的規模，將原本粗糙簡單的3D遊戲人物及場景：(圖三)為Quake3的人物造型，提昇至如迪士尼【蟲蟲危機】動畫片的水準：(圖四)為微軟XBox的展示遊戲的畫面。nVIDIA的產品線非常整齊，從低階的M64、中階的TNT2到高階的GeForce系列，幾乎佔據所有的繪圖晶片產品區段，最近即將推出整合型的產品，頗有一統繪圖晶片市場的架勢。 《圖四　微軟XBox的展示遊戲的畫面》

3D規格的演進

OpenGL規格是早期3D繪圖工作站(如SGI)的3D規格，其規格是由幾家系統及繪圖晶片廠商所組成的協會OpenGL Architecture Review Board所制定的，其優點為穩定、易學及跨平台(可支援Linux、Mac及Windows等作業系統)。Direct3D規格為微軟為其Windows作業系統所推出的3D規格，早期的Direct3D由於不穩定，難學且相關書籍文獻少，素為3D遊戲廠商所報怨；不過微軟挾其Windows作業系統的優勢及改進，及以曖昧不明的態度來支援OpenGL規格，Direct3D規格終於成為主流作業系統的3D規格。

不過近來Linux作業系統竄起，OpenGL規格跨平台的特性又獲得許多3D遊戲廠商所使用，形成兩種Direct3D與OpenGL規格並存的局面，目前Direct3D(DirectX 8)規格已超越OpenGL 1.2規格，本篇文章將以Direct 3D的演進來介紹新一代3D繪圖晶片的規格。

DirectX 6

多張材質貼圖混色功能

DirectX 6引進"多張材質貼圖混色"(Multi-Texture Blending)的技術，3D遊戲廠商可設計材質貼圖(Base Texture)，打光貼圖((Light Map Texture)及紋理貼圖((Details Texture)等各式各樣的材質貼圖進行混色，讓3D人物及場景更絢麗、更細緻。ATI Radeon系列可同時支援3張材質貼圖，為目前最佳的規格，其他各家均可同時支援2張材質貼圖，(圖五)為使用多張材質貼圖的例子。

《圖五　使用多張材質貼圖的例子》

凹凸材質貼圖功能

凹凸材質貼圖(Bump Mapping)技術亦是DirectX 6重要的特點，使原本平滑無奇的材質貼圖，加上凹凸有致及光影的變化，讓整個3D遊戲場景變的更加的細緻與華麗。目前有ATI Radeon系列及Matrox G400系列均可支援凹凸材質貼圖技術。

材質貼圖壓縮功能

材質貼圖壓縮(S3 Texture Compression;S3TC)技術可降低繪圖記憶體及頻寬的數量，增進材質貼圖的解析度及畫質，並提昇3D遊戲執行的效能，目前各家均可支援材質貼圖壓縮技術。

DirectX 7

幾何打光運算功能

幾何打光運算功能(Transformation & Lighting Functions)是指將3D物件的座標從物件座標系統轉換到攝影機座標系統，然後執行打光的計算，算出3D物件反映光源(自然光源、點光源及投射光源)的顏色，接著將3D物件的座標從物件座標系統投影到螢幕座標系統，這中間須執行"多邊形切除"(Clipping)的動作，將投影到螢幕座標之外的多邊形切除，並將切除過的多邊形轉為三角形交給繪圖晶片上色。

幾何打光運算需要許多數學矩陣及函數的運算，通常是由CPU來執行。DirectX 7開啟硬體加速幾何打光運算的新頁，也讓繪圖晶片成為PC的第二顆處理器。nVIDIA GeForce系列及ATI Radeon系列均可支援幾何打光運算功能，nVIDIA GeForce 2 UhTra每秒可轉換3千2百萬個三角形，遠超過最快的CPU可轉換的三角形數目，可將原本粗糙簡單的3D遊戲人物及場景，提昇至如迪士尼【蟲蟲危機】動畫片的水準。

立方體映射貼圖

傳統的環境貼圖(Environmental Mapping)是利用魚眼鏡頭拍攝360度的環場圖檔，再利用橢圓形貼圖(Sphere Map)技術即可做出金屬表面反射環境圖像的效果，由於只用一張360度的環場圖檔，當物體轉動到某些角度時會出現貼圖裂縫。立方體映射貼圖(Cubic Mapping)使用6張環場圖檔(就像密閉空間的6面牆)，利用光線的反射向量或多邊形的法向量，即可做出金屬表面反射環境圖像的效果(圖六)。nVIDIA的GeForce系列及ATI的RADEON系列均可支援立方體映射貼圖的功能。

《圖六　使用立方體映射貼圖的例子》

DirectX 8

微軟在DirectX 8程式介面做了相當大的改善，並提供更多的文件及範例，以及強調用Visual Basic語言也能撰寫3D的應用，期望更多人能寫出更多的3D應用程式。DirectX 8亦引進更先進的3D規格如下：

三維立體貼圖

三維立體貼圖(3D Texture Mapping)主要可用來顯示電腦斷層掃瞄圖形，將一層一層的電腦斷層掃瞄圖形，以三維立體貼圖的方式呈現。新的應用包括三維立體打光貼圖(3D Light Map)可模擬非常複雜的打光效果(圖七)，以及三維立體切除貼圖(3D Clipping Map)可以任意形狀的三維立體遮罩對3D物件進行切除。過去的三維立體貼圖由於需要相當多的繪圖記憶體而未能普及，新一代的三維立體貼圖支援材質貼圖壓縮技術，此技術可降低繪圖記憶體及頻寬的數量。ATI RADEON系列可支援三維立體貼圖功能。

《圖七　以三維立體貼圖的方式模擬非常複雜的打光效果的例子》

點狀小方塊(Point Sprite)

Point Sprite按字義指"點狀小精靈"，在3D圖學是指"點狀小方塊"。當3D遊戲要做出爆炸、火花、雨滴、雪花等多數量粒子(Particle)運動效果時，若使用2個小三角形去畫這些小粒子，則會浪費傳輸頻寬及幾何打光運算時間，點狀小方塊功能可大幅地減少傳輸頻寬及幾何打光運算時間(約使用2個小三角形的四分之一)。為使用點狀小方塊的例子。

頂點上色器

三個頂點組成一個三角形是3D圖學的基本知識，每個頂點帶有物體座標、法向量、顏色及貼圖座標，傳統的幾何打光運算功能(指DirectX 7)將3D物件的座標從物件座標系統轉換到攝影機座標系統，然後利用法向量執行打光的計算，算出3D物件反映光源(自然光源、點光源及投射光源)的顏色，這些運算的公式是固定的；DirectX 8的頂點上色器(Vertex Shader)功能可讓3D遊戲設計師研發新的公式，做出獨一無二的幾何打光運算效果，並可改變物體座標達到物體變形，扭曲及凹凸不平的效果(圖八)。

《圖八　使用頂點上色器達到物體變形效果的例子》

色點上色器

3D繪圖晶片根據三角形三個頂點的資訊(物體座標、法向量、顏色及貼圖座標)，以內插法的方式算出三角形內部每個色點(Pixel)的資訊，然後取出材質顏色、物體顏色及背景顏色進行混色，DirectX7及OpenGL 1.2皆有定義其混色的公式；DirectX 8的色點上色器(Pixel Shader)功能可讓3D遊戲設計師研發新的公式，做出單色點打光(Per-pixel Lighting)及非對稱性表面材質打光(如金屬刮痕及唱片刮痕)，可達到好萊圬動畫影片的水準(圖九)。

《圖九　使用色點上色器的例子》

由DirectX規格的演進，可以看到繪圖加速處理器(GPU)可執行幾何打光運算功能，分擔CPU的計算負擔，讓CPU有能力去運算更複雜物理特性及人工智慧，因此未來的3D遊戲將更逼真更有挑戰。

3D在網路上的應用及困難

3D在網際網路的應用主要為3D目錄、3D虛擬商場、群體設計輔助及3D虛擬社群等。3D目錄(圖十)可提供購物者更精確的尺寸、外觀及使用方式，購物者可上下左右地轉動商品，並可改變顏色及尺寸，也可選擇適合購物者尺寸的3D虛擬模特兒來展示商品的效果。

《圖十　3D目錄的例子》

3D虛擬商場提供一個虛擬的購物商場，有3D虛擬售貨員招攬生意，讓購物者有身歷其境的感受；群體設計輔助讓分佈在全球各地的設計團隊，可透過網際網路的便利性，共同檢視設計的3D模型，即時的交換意見，降低交通費用及提昇效率。3D虛擬社群提供一個虛擬的社交場所(圖十一)，參與者可選擇一位虛擬的人物造型，代表參與者在虛擬的社交場所活動並與人交談。3D虛擬社群為原本平淡無奇的虛擬社群介面加入立體的空間及互動的機制，帶給參與者更多的樂趣。

《圖十一　3D虛擬社群的例子》

3D在網路上的困難主要還是網路頻寬不夠，因為平滑細緻的3D模型需要大量的多邊形來組成，華麗的背景及材質貼圖也需要大量的網路頻寬來傳送，而目前許多3D軟體公司嘗試解決下列的問題：材質貼圖壓縮、3D模型幾何壓縮(Geometry Compression)、累進(Progressive Mesh)3D模型、高階曲面(Surface)3D模型。由於越來越多的PC平台具備3D繪圖晶片，且寬頻網路也越來越普遍，3D在網際網路的應用已逐漸引起注意，未來使用者將可看到更新更有趣的3D網際網路介面與應用。

繪圖晶片未來的發展及趨勢

整合型的繪圖晶片(指整合繪圖晶片及北橋晶片，如Intel 815及SiS 630)可使PC系統成本降低，廣為OEM客戶市場接受，以逐漸取代低檔的繪圖晶片，但由於其擴充性較無彈性，零售市場接受程度不如預期。不過新型的整合型的繪圖晶片已加入擴充插槽，將持續擴張其佔有率。

低檔的繪圖晶片以64 Bits 3D繪圖晶片為主流，中階的繪圖晶片以128 Bits 3D繪圖晶片為主流，高階的繪圖晶片都以256 Bits(如ATI Radeon256及nVIDIA GeForce256等)為號召，其重點為使用DDR記憶體，使得繪圖晶片可使用2倍的記憶體頻寬，在高解析度及全彩模式下保有超高的加速性能。

隨著半導體製程的進步，現有的中階的繪圖晶片將使用更新的半導體製程來降低成本，進而搶佔低檔的繪圖晶片的市場，同樣地，現有的高階的繪圖晶片也會使用更新的半導體製程來降低成本，進而搶佔中檔的繪圖晶片的市場;因此，繪圖晶片的進步時程與半導體製程的進步時程有相當密切的關係，尤其這一代的高階的繪圖晶片的複雜度及晶片面積已超越CPU的複雜度及晶片面積，對於半導體製程的倚賴更為嚴重。

結語

繪圖晶片廠商不斷地提昇3D的規格及加速性能(nVIDIA大約每6個月推出一個新產品)，但是3D應用程式和3D遊戲開發的速度卻遠落後繪圖晶片的規格及加速性能，因為3D應用程式和3D遊戲開發廠商希望其產品可在大多數的PC執行，造成只有3D測試程式(如3D Winbench 2000及3DMark 2000等)才能測出其價值，造成使用者買了高階卡卻苦無3D應用程式和3D遊戲可展現其威力的窘況。

此窘況可望於明年微軟推出"X Box"遊戲機後得到紓解，因為微軟的"X Box"遊戲機採用nVIDIA史上最強的3D繪圖晶片，每秒可轉換1億2千5百萬個三角形，約為nVIDIA GeForce 2 UhTra的4倍效能，因此"X Box"遊戲機的遊戲勢必精采可期。由於X Box採用微軟的Direct X 8的3D API，因此"X Box"遊戲機的遊戲很容易可移植到PC，屆時高階卡就可展現其威力了。