3DMark 2005

auteur monxxx323, Novembre 09 2009. Publié dans Shader DirectX 9.0b-9.0c version 2.0b

Année de fabrication: 2006
Développeur : Futuremark Corporation
Plate-forme: PC
Configuration minimale requise
Système d'exploitation : système d'exploitation Microsoft Windows 2000 ou XP
Processeur : processeur compatible x86 avec prise en charge MMX, 2000 XNUMX MHz
RAM : (512 Mo recommandés)
DIRECTX : DirectX9.0c ou version ultérieure (obligatoire)

Modèles DirectX9 et shader

Au fur et à mesure que les fonctionnalités des GPU évoluent, les développeurs doivent tirer parti de leurs capacités supplémentaires à la fois pour améliorer la qualité des scènes et pour obtenir des performances supplémentaires.
Microsoft, le créateur de DirectX, a été remarquablement flexible en permettant à deux développeurs de GPU de premier plan de créer tout un ensemble de modèles de shader qui tirent parti des fonctionnalités avancées du GPU au-delà des exigences de base du Shader Model 2.0. L'industrie avait besoin d'une approche standardisée pour étendre les capacités de base de DirectX 9, et le résultat a été Shader Model 2.0a, Shader Model 2.0b et Shader Model 3.0.

Par exemple, dans Far Cry lors du calcul de l'éclairage à l'aide des shaders de pixels du modèle 3.0, un maximum de 4 sources lumineuses sont calculées en une seule passe, lors de l'utilisation du modèle 2.0b - pour 3, lors de l'utilisation du modèle 2.0 - pour une source lumineuse.

Ainsi, avec la transition des jeux vers une nouvelle méthode de développement, une nouvelle approche de l'évaluation des performances est apparue : au lieu de tester les cartes vidéo dans des conditions absolument identiques, il est nécessaire d'utiliser pour chaque accélérateur spécifique le modèle de shader qui utilise le plus pleinement ses capacités. . C'est ainsi que les développeurs de Futuremark ont ​​vu 3Mark05.

3DMark05 : Étapes du chemin

Futuremark, appelant ses benchmarks "The Gamer's Benchmark", ajoute constamment la prise en charge de nouvelles technologies et développe les fonctionnalités de ses 3DMarks. Les packages de test de Futuremark, apparus pour la première fois à la fin de 1998, sont devenus au fil du temps le principal outil de mesure des performances des cartes vidéo et d'évaluation de l'équilibre des pouvoirs pour une grande variété de personnes, des passionnés ordinaires aux dirigeants des plus grandes entreprises.

3DMark99 - concentré sur la vitesse de texturing et de traitement des polygones.
3DMark2000 - a reçu un support pour la transformation matérielle des polygones, parallèlement à cela, la complexité des scènes a augmenté.
3DMark2001 - a reçu la prise en charge des vertex et pixel shaders 1.1 et a en outre augmenté la complexité de la scène - maintenant des dizaines de milliers de polygones étaient présents dans les scènes.
3DMark03 - shaders utilisés 1.x et 2.0. Un seul des tests de jeu n'a pas du tout utilisé de pixel shaders. Tous les autres tests de jeu ont largement utilisé les shaders de pixels et de vertex DirectX8, et le dernier test de jeu, le plus difficile, a largement utilisé les shaders du modèle 2.0. La complexité des scènes est passée à des centaines de milliers de polygones.
3DMark05 - élevé le niveau de technologie encore plus haut. Le package utilise uniquement les shaders de modèle 2.0 et supérieurs, et tous les shaders peuvent être exécutés dans n'importe lequel des profils correspondant aux modèles 2.0, 2.0a, 2.0b et 3.0. La complexité des scènes a augmenté : maintenant, en moyenne, il peut y avoir plus d'un million de polygones dans le cadre.

La principale différence entre 3DMark05 et les versions précédentes du package de test est l'utilisation de shaders d'au moins le modèle 2.0 et le choix du chemin de rendu optimal pour chacune des cartes vidéo.
Patric Ojala de Futuremark donne cet exemple : « Nous utilisons plusieurs shaders personnalisés, par exemple, dans le premier play test, le shader correspondant au modèle 3.0 utilise le contrôle d'exécution dynamique et s'arrête lorsqu'il détecte le fait que la surface n'est pas éclairée. Un autre exemple est un shader utilisant Depth Stencil Textures.

Moteur graphique : utilisation des shaders

Les précédentes incarnations 3DMark de Futuremark utilisaient des versions modifiées de MAX-FX, mais pour 3DMark05, la société a développé un nouveau moteur graphique. Tous les shaders utilisés dans les scènes sont écrits en langage de haut niveau - HLSL. Ces shaders ne sont pas exécutés directement, avant d'être envoyés à l'accélérateur, ils doivent être compilés, c'est-à-dire traduits dans un langage plus compréhensible pour le GPU et son pilote. DirectX propose plusieurs profils - plusieurs configurations optimales pour le compilateur de shader, conçues pour les GPU avec des fonctionnalités différentes. Donc, disons, pour le profil ATI RADEON 9700 PRO, PS 2_0/ VS 2_0 sera utilisé, et pour NVIDIA GeForce 6800 Ultra – PS 3_0/VS 3_0. La dernière génération de GPU dépasse les exigences de base de DirectX 9.0, et bien qu'ils prennent en charge des profils inférieurs, disons PS 2_0/VS 2_0, ils utiliseront par défaut le profil qui utilise le plus leurs fonctionnalités. Il en va de même pour les processeurs graphiques qui apparaîtront après la sortie de 3DMark05 - pour eux, sur la base de la liste des fonctionnalités fournies par les pilotes, les profils qui utilisent au maximum leurs fonctionnalités seront sélectionnés.

Ainsi, dans la nouvelle réincarnation du package de test, Futuremark s'éloigne encore plus de l'idée de comparer des cartes vidéo dans des conditions absolument identiques. Ce n'est pas surprenant : toutes les cartes vidéo modernes prennent en charge les exigences de base de DirectX 9.0, mais au-dessus des exigences de base, toutes ont des fonctionnalités complètement différentes. Les mettre dans les mêmes conditions est incorrect : ces conditions identiques dans des cas différents seront optimales pour certaines cartes vidéo et sous-optimales pour d'autres. Au lieu de tout cela, 3DMark05 tire le meilleur parti des capacités de chaque carte vidéo en choisissant les profils les plus fonctionnels pour chaque GPU.
Néanmoins, pour ceux qui souhaitent toujours comparer le travail des cartes vidéo dans les mêmes conditions, la possibilité de sélectionner un profil pour compiler les shaders HLSL a été introduite. De cette façon, vous pouvez faire fonctionner la carte vidéo avec un profil moins fonctionnel, par exemple, NVIDIA GeForce 6800 Ultra n'utilisera pas les shaders 3.0, mais la vitesse de rendu de la scène changera bien sûr.

Moteur graphique : utilisation du processeur

Dans les tests de jeu, le nouveau package de Futuremark n'utilise pas les ressources du processeur pour autre chose que la préparation des données pour la création de scènes. Autrement dit, il n'y a pas de calculs liés à la physique du jeu, à la logique ou à l'IA - "l'intelligence artificielle" - dans les tests de jeu.
La plupart des tests intégrés dans les jeux normaux sont organisés de la même manière : pendant la durée de lecture d'une démo, l'enregistrement et la mesure de la vitesse, l'IA, la physique, etc. sont calculés. éteint. Par exemple, dans Doom3, le test intégré est organisé de cette manière.
Ainsi, en termes d'utilisation des ressources CPU dans les tests de jeu, les développeurs de Futuremark ont ​​essayé de se rapprocher des vrais tests de jeu, et cette approche semble tout à fait justifiée, car 3DMark est avant tout un test de cartes vidéo, pas de CPU .

Moteur graphique : système de calcul des ombres

Des ombres dynamiques sont apparues dans les scènes 3DMark 2001 - le moteur utilisait des cartes d'ombres projetées. Dans 3DMark03, lors des deuxième et troisième tests, le moteur graphique est passé à une autre manière de rendre les ombres, la même que celle utilisée par le "grand et terrible" Doom3 - en calculant les volumes qui délimitent les zones ombrées et en utilisant le modèle tampon pour déterminer l'éclairage des objets.
Dans 3DMark05, les développeurs se sont éloignés de cette méthode de calcul des ombres - tout en offrant une excellente qualité, elle présente néanmoins un certain nombre d'inconvénients. Pour chaque objet qui doit projeter une ombre, vous devez créer son «volume d'ombre» - un modèle polygonal, dont les faces du côté de la source de lumière sont les bords de l'objet lui-même, et des côtés - la silhouette de l'objet s'étendait de la source lumineuse à l'infini. Trouver les faces qui forment la silhouette d'un objet et sont sujettes à l'extrusion est une tâche difficile effectuée par le CPU, et plus l'objet est complexe, c'est-à-dire que plus il y a de polygones inclus dans le calcul, plus il faut de temps pour créer le "volume d'ombre".
L'utilisation ultérieure de ces "volumes d'ombre" invisibles est associée à la nécessité de les dessiner dans le tampon de modèle, ce qui augmente considérablement la charge sur le GPU en termes de vitesse de rendu. Et plus il y a d'objets projetant des ombres, plus la charge sur le GPU est importante.

La méthode de calcul de l'ombre utilisée dans 3DMark05 est exempte de ces défauts. 3DMark05 utilise un type de cartes d'ombres appelées "cartes d'ombres en perspective", PSM, pour calculer les ombres dynamiques, avec ses propres modifications pour minimiser la manifestation de leurs défauts caractéristiques.
Lors du calcul d'ombres dynamiques à l'aide d'une carte d'ombres, les étapes de construction d'une scène ressemblent à ceci :

-Tout d'abord, la scène est construite à partir de la position de la source lumineuse. Lors de la construction, les textures, les shaders de pixels, etc. ne sont pas utilisés, car tout ce qui est nécessaire à ce stade est la valeur Z, c'est-à-dire la distance des pixels de la scène à la source lumineuse. Cette valeur pour chaque pixel est écrite dans le tampon de sortie au format virgule flottante. Plus la taille de ce tampon est élevée et plus le format de représentation des données est précis, meilleur sera le résultat.
-Après avoir calculé la shadow map, la scène est construite de la manière habituelle, à partir de la position de la caméra. Pour déterminer l'illumination des pixels, des pixel shaders sont utilisés : dans le shader, pour chaque pixel de la scène, le pixel correspondant de la shadow map est déterminé et la distance entre le pixel de la scène et la source de lumière est calculée. Si cette distance est égale ou inférieure à la valeur stockée dans la carte d'ombre, alors le pixel est illuminé. Si cette distance est plus grande, il est évident que certains des éléments de la scène se sont avérés plus proches de la source de lumière lors du calcul de la carte d'ombre, et le pixel s'est avéré ombragé.

Le principal avantage du calcul des ombres à l'aide de PSM est que pour calculer les ombres dynamiques à l'aide de cartes d'ombres, aucun calcul supplémentaire n'est requis par le processeur et le nombre de calculs ne dépend pas de la complexité de la scène - invisible, mais consommant des ressources "ombre volumes" ne sont pas ajoutés.
Les processeurs de pixels modernes prennent en charge les shaders longs et complexes, ce qui permet en une seule passe de déterminer l'ombrage de chaque pixel par rapport à plusieurs sources de lumière à la fois, c'est-à-dire de réduire encore la quantité de travail.
De plus, cette méthode utilise des processeurs de pixels, et ce sont leurs performances qui ont augmenté au rythme le plus rapide ces derniers temps - plus rapidement que la puissance des processeurs de vertex, les performances du processeur, la vitesse du bus mémoire ou la vitesse d'échantillonnage des textures.

Cette méthode a bien sûr ses propres faiblesses, mais les développeurs de Futuremark assurent que leur modification PSM est bien adaptée à une grande variété de scènes et de sources lumineuses.
Les cartes d'ombre pour les sources lumineuses directionnelles sont calculées dans une résolution de 2048x2048, les cartes d'ombre sont enregistrées au format à virgule flottante, R32F ou D24X8. Pour ces lumières, le moteur graphique calcule deux textures d'ombre, une pour les objets les plus proches de la caméra et une pour le reste de la scène. Ainsi, une précision accrue du calcul des ombres est obtenue aux endroits où elle est la plus visible, c'est-à-dire à proximité de la caméra, et la possibilité de calculer les ombres pour le reste de la scène est préservée. Cependant, même cela ne suffit parfois pas pour éviter complètement l'apparition d'artefacts - dans le troisième test de jeu 3DMark05, des artefacts d'ombrage sont visibles sur les zones rocheuses situées presque parallèlement aux rayons du soleil.

Faites attention à l'ombre projetée par les câbles près de la "nageoire" du vaisseau volant, et au fragment de la paroi du canyon.

Les développeurs notent qu'il ne s'agit pas d'erreurs de pilote ou de problèmes matériels, c'est une manifestation de l'une des faiblesses de la méthode de mappage des ombres.
Pour les sources lumineuses non directionnelles, le moteur graphique 3DMark05 construit six shadow maps au format R32F de taille 512x512, plaçant la source lumineuse au centre d'un cube imaginaire, construisant des shadow maps pour 6 faces de ce cube, et réduisant ainsi ce cas à le cas d'une source lumineuse directionnelle.

La sélection des valeurs de la carte d'ombre dans le pixel shader en présence d'un support matériel pour le filtrage le plus proche en pourcentage (PCF) et les textures de pochoir de profondeur (DST) est effectuée à l'aide de PCF, c'est-à-dire en fait avec le filtrage bilinéaire habituel , et s'il n'y a pas de support matériel pour PCF, le filtrage est effectué directement dans le shader, pour cela, 4 valeurs les plus proches du point de référence sont sélectionnées et moyennées à partir de la carte d'ombre.
Ces approches fournissent des résultats légèrement différents, à la fois en termes de performances et de qualité d'image, mais les développeurs de Futuremark sont convaincus que DST et PCF, c'est-à-dire la prise en charge matérielle et le filtrage matériel des cartes d'ombre, doivent être utilisés chaque fois que possible, car les plus grands les développeurs de jeux utilisent déjà ces fonctionnalités GPU, et la demande pour ces fonctionnalités ne fera qu'augmenter à l'avenir.

Donc, assez de détails. Enfin, passons à la description des tests.

Test de jeu 1 : Retour à Proxycon :

Le premier test de jeu appartient définitivement à la section des jeux d'action : les pirates de l'espace attaquent à nouveau le cargo Proxycon.

Reflétant les scènes des tireurs classiques, Game Test 1: Return to Proxycon combine des pièces assez grandes avec des couloirs étroits, et un grand nombre de fantassins combattant en même temps rapproche la situation de jeu des jeux multijoueurs.

La plupart des surfaces dans Game Test 1: Return to Proxycon utilisent des matériaux "métalliques" définis par shader avec des calculs d'éclairage Blinn-Fong. Les exposants requis pour le calcul ne sont pas calculés mathématiquement dans les shaders ; à la place, des échantillons d'une table pré-calculée sont utilisés.
Au total, la scène comporte 8 sources lumineuses qui projettent des ombres : 2 sources lumineuses directionnelles, pour lesquelles des cartes d'ombres de 2048x2048 sont calculées, et six sources non directionnelles, pour lesquelles des cartes d'ombres de 512x512x6 sont calculées.

Test de jeu 2 : Firefly Forest :

Ce test est un bon exemple d'une scène d'espace ouvert utilisant beaucoup de végétation. La scène est relativement petite, mais pleine de détails à la limite.
Nuit au clair de lune. Le sol est recouvert d'herbe dense, les branches des arbres se balancent légèrement sous une légère brise ...

L'affichage de la végétation dense au sol est mis en œuvre de manière dynamique : la concentration et le niveau de détail de la végétation au sol changent avec le mouvement de la caméra. Les feuilles d'herbe ne sont affichées que là où elles sont nécessaires, ce qui vous permet de réduire la charge sur le GPU, tout en maintenant l'expérience visuelle au plus haut niveau. 

La surface du sol dans ce test est rendue à l'aide du shader "métal" du premier test, mais avec l'ajout de cartes de couleurs/normales de base et détaillées. Le matériau des branches d'arbres n'utilise pas de cartes en relief et spéculaires, mais a une carte de cube de couleur. Le ciel est rendu à l'aide d'un shader qui simule la diffusion de la lumière.
Moonlight est une source de lumière directionnelle qui projette des ombres dynamiques. Les ombres sont calculées à l'aide d'une carte d'ombres avec une résolution de 2048x2048. La luciole magique illumine l'herbe et les arbres comme une source de lumière omnidirectionnelle avec une carte d'ombre de cube 512x512x6.

Test de jeu 3 : Canyon Flight :

Le dernier test de jeu est mis en évidence par de grands espaces ouverts - dans cette scène, un navire volant julvernien flotte au-dessus des vagues à travers un canyon gardé par un véritable diable des mers.

La surface de l'eau est la partie la plus remarquable de cette scène. L'eau imite non seulement les réflexions et les réfractions, mais a également sa propre valeur de transparence, de sorte qu'un monstre marin se déplaçant dans la colonne d'eau semble flotter réellement dans la colonne d'eau, et non derrière un verre réfractif trouble.
Le shader utilisé pour rendre la surface de l'eau est une modification avancée du shader "water" de 3DMark03, mais la surface de l'eau n'est pas seulement un shader. Le calcul correct des réfractions et des réflexions, y compris l'affichage correct des ombres, nécessite six passages de l'accélérateur graphique. Le shader lui-même utilise des lectures de cartes normales, de réfraction et de réflexion. De plus, le brouillard volumétrique est utilisé pour les objets sous-marins, les rendant plus sombres et moins saturés à mesure qu'ils s'éloignent de la surface de l'eau.

Pour renforcer l'effet de présence dans un grand espace ouvert, le brouillard est utilisé dans la scène - grâce à son utilisation, les rochers éloignés semblent plus naturels.

Le shader utilisé pour dessiner les rochers est appelé par les développeurs le shader le plus complexe de 3DMark05 - lorsqu'il est combiné avec le calcul des ombres, il rentre à peine dans les spécifications du pixel shader du modèle 2.0. Le matériau rocheux utilise deux textures de base, deux cartes normales et un calcul d'éclairage basé sur le modèle Lambert.
La scène a une source de lumière - le Soleil. Les ombres du soleil sont calculées à l'aide de deux cartes d'ombre avec une résolution de 2048x2048, une carte est utilisée pour les objets proches de la caméra et la seconde est utilisée pour le reste de la scène.

 Test CPU :

3DMark05, comme 3DMark03, utilise des tests de jeu à une résolution de 640x480 avec les post-effets désactivés et l'émulation logicielle des vertex shaders pour tester la vitesse du processeur. Cela déplace l'équilibre des tests vers l'augmentation de la charge sur le processeur central et rend les résultats des tests dépendants de la vitesse du processeur central, et non de la carte vidéo. Pour garantir que les tests s'exécutent exactement dans les mêmes conditions sur l'un ou l'autre système, les deux tests CPU utilisent un mode de sortie de scène fixe image par seconde.

Dans le premier test CPU, les développeurs ont introduit des calculs supplémentaires affectés au processeur central. Malgré le fait que le passage du navire à travers le canyon dans toutes les conditions s'effectue selon la même trajectoire, ce test comprend un calcul continu de la trajectoire optimale qui enveloppe les contours du canyon. Les calculs associés à ce calcul sont effectués dans un thread latéral, ce qui vous permet d'utiliser les capacités des systèmes multiprocesseurs ou des processeurs avec HyperThreading.

Taux de remplissage :

Ce test est passé dans 3DMark05 presque inchangé. Tout ce qui a changé est visible à l'œil nu: afin de réduire les besoins en bande passante mémoire et de mettre en évidence la vitesse de texturation, les développeurs ont réduit au maximum la résolution des textures utilisées - ce sont maintenant des «cellules» ennuyeuses.

Le test, comme d'habitude, a deux modes : superposition de texture unique et multitexture. En mode de fusion de texture unique, la scène comporte 64 surfaces avec une couche de texture sur chacune, et en mode multitexture - 8 surfaces avec huit textures sur chacune.

Ombrage de pixels :

Ce test utilise le plus complexe des shaders 3DMark05, le shader de surface rocheuse du troisième test du jeu. Le shader a été déplacé du test du jeu avec un seul changement - les ombres ne sont pas calculées ici.

Il convient de rappeler que le shader est écrit en HLSL, les exigences de base pour le GPU, comme tous les autres tests 3DMark05, sont la prise en charge des shaders du modèle 2.0.

Les développeurs notent que les résultats de ce test seront déterminés non seulement par la vitesse des processeurs de pixels, mais également par la vitesse du bus mémoire - ce shader fait un usage intensif des textures à grand volume.
Comme alternative moins dépendante de la mémoire à un tel shader, les développeurs voient un shader qui utilise des calculs mathématiques, c'est-à-dire "crée des textures à la volée", mais, premièrement, un shader similaire a déjà été utilisé dans 3DMark03, et deuxièmement, comme Notes Futuremark, les développeurs de jeux au lieu de calculs mathématiques dans les shaders, ils sont beaucoup plus disposés à utiliser des textures ordinaires.

Nuanceur de sommet :

Le test se compose de deux parties : dans la première partie, la vitesse d'une simple transformation de modèles de monstres marins est mesurée - le shader responsable de la transformation peut très bien répondre aux spécifications du shader de modèle 1.0, mais le test, suivant l'idéologie Futuremark, utilise DirectX 9.0.

La deuxième version, plus complexe, du test utilise un vertex shader complexe pour transformer les brins d'herbe. Chaque brin d'herbe plie indépendamment des autres sous l'influence du "vent" imposé par le bruit fractal calculé sur le processeur central. Afin de réduire l'influence de facteurs tels que les performances du processeur et le taux de remplissage sur les résultats du test, le calcul du bruit fractal est optimisé au maximum et les brins d'herbe sont éloignés de la caméra.

 Tests de taille de lot :

 Batch Size Tests est un ensemble de tests conçus pour accélérer le rendu de lots de différentes tailles - des groupes de polygones envoyés par l'application au pilote de l'accélérateur en un seul appel de fonction Direct3D. Dans chacun de ces tests, le même nombre de polygones est dessiné, mais les polygones sont combinés en groupes de tailles différentes à chaque fois : 8,32,128, 512, 2048 et 32768 polygones.
Pour s'assurer que les pilotes de carte vidéo ne fusionnent pas de petits groupes en groupes plus grands à des fins d'optimisation, chaque groupe initial de polygones est dessiné avec sa propre couleur - cela provoque le redémarrage du pipeline graphique à l'arrivée de chaque nouveau groupe de polygones :

Le test révèle à quel point les performances de la carte vidéo sont réduites en rechargeant le pipeline graphique et montre l'efficacité du pilote et de la carte vidéo sur des groupes de tailles différentes - il est connu que l'envoi à l'accélérateur et le rendu du même nombre de polygones avec un seul appel de fonction et un groupe est plus rapide que plusieurs petits groupes.

Chacune des réincarnations de 3DMark a mis à genoux les cartes graphiques modernes avec de nouvelles technologies et des scènes plus complexes, mais jamais auparavant la "dénomination du perroquet" n'avait été accompagnée d'un tel bond en termes de qualité d'image. Afin d'obtenir le maximum d'impression et d'apprécier les nouveaux tests, vous devez bien sûr regarder le mode démo - chaque scène de jeu en mode démo est une œuvre d'art finie.

Il est à noter que cette fois, Futuremark divise clairement les scènes de jeu par genre, et cela se remarque à première vue lors des tests - une répétition de la situation avec 3DMark03, où les deuxième et troisième tests de jeu derrière une coque différente étaient les mêmes à l'intérieur, a fait pas arriver. Toutes les scènes de jeu sont très différentes et, à première vue, elles devraient bien refléter les scènes de jeux dans un avenir proche et lointain.
Il convient également de noter la nouvelle approche de Futuremark pour tester les cartes vidéo avec différentes fonctionnalités - l'utilisation de shaders HLSL et son propre profil optimal pour chacun des GPU est peut-être le reflet le plus adéquat des tendances actuelles de l'industrie du jeu.