图形 | NDS架构

这一部分有些不太寻常，因为这款游戏机不仅有多个屏幕需要绘制，而且把传统的图块（tile）引擎与现代渲染器结合在了一起。

首先说说硬件：NDS包含两个LCD屏幕，每个屏幕的都有256x192个像素，比GBA多约20％个像素点。它们可以显示262144种颜色（18位），刷新率约60 Hz。

架构

图形子系统可以绘制2D和3D对象。前者由二维几何图形组成，其中填充了8x8像素的位图（称为"图块"），而后者则使用顶点绘制三维对象（多边形）。

深入了解操作这些屏幕的内部芯片，我们可以观察到这个掌机具有独特的2D和3D几何图形硬件。 2D数据由我们熟悉的引擎PPU（现在只称之为2D引擎）操作，而3D数据由一个全新的子系统处理。值得一提的是，虽然这并不是第一款推出3D图形功能的游戏机，但它仍然是第一款使用自研图形渲染器来呈现3D图形的游戏机。

不同图形单元的布局。

现在，这两个引擎必须连接到两个屏幕其中之一。对于只有2D图形的游戏来说，这不是问题，因为每个屏幕都有一个2D引擎。然而，那些想展示前沿特性的游戏却只有一个3D引擎可用。因此，每次只能在一个屏幕上使用3D功能。但是2D和3D对象如何混合显示？别急，我先分别解释清楚这两个引擎，之后再讨论这个问题。

使用2D图形构建帧

在我们检查各阶段之前，我建议先阅读有关GBA PPU的这篇文章，因为在这里我只会提到构建"下一代"2D游戏的变化。另外，由于有两个引擎，这里我们把第一个引擎称为主引擎（Main），第二个则称为辅助引擎（Sub）。虽然这并不一定意味着哪个屏幕连接了哪个引擎，而且主引擎比辅助引擎包含更多的功能。

我将借用新超级马里奥兄弟（New Super Mario Bros）的资源（assets）来帮助解释。

图块（Tiles）

从VRAM中提取的图块。出于演示目的，使用了默认调色板。

到目前为止，我们都知道基本的图块系统是如何工作的，但是NDS的图块处理有什么特别之处呢？其实，总共有656 KB VRAM可用，这一块被分割成不同的bank：四个128 KB bank、一个64 KB bank、一个32 KB bank和三个16 KB bank。开发者可以随便往bank里填充数据并将引擎指向所需数据的位置。两个引擎都可以从这些bank读数据，但是它们不能同时访问同一个bank。

尽管如此，数据排布方式还是有一些限制。例如，ARM7只能访问两个128 KB的bank，这两个bank不能存储sprite；最后16 KB bank只能被"辅助引擎"访问；等等等等......你懂得。

最后一句，3D引擎我们稍后再讨论，它可以访问其中某些bank以获取纹理（texture）。

背景类型

从Super Nintendo时代开始，PPU一直致力于为构建背景图层提供更多的灵活性。 14年后，有这样一款芯片，可以获取图块并应用许多仿射变换。甚至，最终可以从frame buffer构建图层。

在我们讨论2D引擎显示背景的不同模式之前，让我们先了解一下引擎可以生成哪些类型的背景：

字符类型（Character type）组：这些背景类型遵循传统的图块系统，通过填充图块来渲染帧。
- 静态（Static）或者说"文本"（text）背景：普通背景，最大支持512x512像素，256色和16个调色板。包括了所有典型的特效（effects）（H/V翻转、H/V滚动、马赛克、alpha混合），外加一个额外的"褪色"效果。最多可使用1024个图块。
- 仿射（Affine） 背景：一个带有仿射变换（affine transformations）的背景。不支持水平/垂直翻转，并且只能获取256个图块(最大值的四分之一)。图层大小为1024x1024像素。
- 仿射扩展 - Character：与仿射背景相同，但是可使用1024个图块，并且支持水平/垂直翻转。
位图（Bitmap）类型组：引擎不再处理图块，直接把VRAM用作frame buffer。
- 仿射扩展 - 256色：继承"仿射扩展 - character"中所有可用的特效。区别在于本模式将它们应用于单个512x512 px位图。
- 仿射扩展 - 真彩色：与256色扩展类似，但本模式下frame buffer支持的颜色可达32768种（15比特）。
- 大屏幕（Large screen）：利用所有四块128 KB大的VRAM块来渲染一个1024x512 px大的frame-buffer。
3D背景：将3D引擎的渲染结果显示为背景图层，这是展示3D引擎处理结果所必需的。虽然它没有提供很多2D效果，但它有一些有趣的特性，比如水平滚动和alpha混合（与其他背景层）。此外，它是唯一支持多达262,144种颜色（18位）的类型。

开发者不能任意选择背景类型。但是游戏机提供了一系列背景模式，为各类型设置了不同的组合。尽管如此，你可以在这里看到Affine扩展模式有三种不同的风格（"字符"，"256色"和"直接颜色"）。因此，在下一节中，当你看到X背景模式支持"仿射扩展"类型时，开发者可以选择他们想要的变体。

背景模式

背景图层0 (BG0)。这个特定的图层将在某些扫描线上水平位移以模拟云的移动。

背景图层2 (BG2)。

背景图层3 (BG3)。

使用的Static背景图层。

背景类型实战演示。 "主"与"副"提供多种操作模式。所有这些模式生成四个背景图层，然而，每个图层的功能取决于所激活的模式：

模式0：4个静态图层。
模式1：3个静态图层+1个仿射图层。
模式2：2个静态图层+2个仿射图层。
模式3：3个静态图层+1个仿射扩展图层。
模式4：2个静态图层+1个仿射图层+1个仿射扩展图层。
模式5：2个静态图层+2个仿射扩展图层。
- 这是最常用的模式，因为极其灵活。
模式6：1个3D背景图层+1个大屏幕。
- 由于VRAM bank的空间只够一个frame buffer，因此只有主引擎能使用该模式。

此外，在模式0到5中，'主'引擎可以将第一个静态图层用作3D背景。 3D功能将在稍后讨论。

Sprites

渲染的Sprite图层.

Sprites或者说"objects"继承了GBA PPU的功能，但新增两个重要功能。

首先，OAM（存储sprite条目（sprites entries）的区域）的大小现在有2 KB，使每屏每帧可以显示多达128个sprite。因此，两个引擎都分配有1 KB。

其次，OAM现在可以引用VRAM中的位图，而不仅仅使用图块和调色板。这是一种与tile系统不同的方法。实际上，同一帧中可以同时存在这两种sprite"模式"，因为此选项是在每个单独的 sprite 上设置的。

结果

合并所有图层......是不是少了什么？

由于每个图层都是即时渲染的，最后阶段需要合并所有内容并将其发送到所选屏幕。以前基于PPU渲染游戏机基本如此，但这是否意味着NDS也到这里结束了？

还没呢！主引擎仍然必须从另一个引擎——最强大的引擎——获取图层。

3D 加速

如果你之前玩过NDS，那么你就知道这款游戏机可以显示一定数量的3D图形。不同于GBA游戏，这些3D图形并非由CPU处理。不过，CPU-NTR包括两个组件来构建3D引擎。有趣的是，任天堂采用的设计让我想起了SGI的RCP。

回顾"背景模式"部分，你会注意到每个模式都至少有一个static背景，这是因为你可以用3D引擎生成的图形来填充该图层。唯一需要注意的是只有主引擎可以这样做，这也是模式6仅适用于主引擎的原因之一。

几何引擎

几何引擎的架构。

如果读过第五代或第六代游戏机的文章，你可能会想知道...... SIMD 处理器哪去了？这是个好问题，因为ARM9并不擅长矢量运算，而且我不认为专用除法器很够用。这就是为什么任天堂嵌入了一个称为几何引擎的组件，负责处理顶点转换、投影、光照、裁剪、剔除和多边形排序，最后一项对正确使用透明特性至关重要。

这个引擎有一些严格的限制，特别是它能够处理的多边形数量：有额外的248 KB RAM可用于存储处理过的几何体，数量可以达到2048个三角形或1706个四边形。使用多边形条带的话（而不是单个多边形）还可以存储更多。为了对这个数字有一些概念，我建议查看之前文章中的"交互模型"部分，你会发现这个限制令人担忧，但不要忘记掌机的屏幕分辨率也要小得多......所以算是抵消了一点。

无论如何，这个引擎是通过一个Command FIFO来控制的，其数据是由CPU或DMA填充。该FIFO可以存储256个条目，并且它还有一个叫做PIPE的缓冲区，用于存储额外的四个命令（总共260个命令）。

渲染引擎

渲染引擎的架构。

渲染引擎负责将向量转换为像素（光栅化），着色（纹理映射）并应用光照和其他效果。它依靠透视校正和Gouraud 着色分别用来处理插值纹理和光照。此外，该单元提供一些现代特性，例如fog，alpha混合，深度缓冲（Z缓冲，或是一种被称为W缓冲的变体），模板测试和抗锯齿。虽然最后一项非常原始（将多边形的外部边缘设置透明而已），而且只能用于不透明像素。

渲染系统采用了新旧结合的方式：它没有直接渲染到frame buffer，而是采用行缓存渲染（line buffer rendering），在每一条扫描线上填充像素（类似于2D引擎），并将结果存储在一个较小的缓缓冲区中。这是因为3D引擎必须与2D绘图器同步工作。

没有传统的frame buffer，光栅化器采用了扫描线渲染（scan-line rendering），遍历每个扫描线以处理其中的多边形边缘。 Arisotura（MelonDS模拟器的开发者）称，对于每个四边形，渲染器只能在每条扫描线上填充一个span。这可能会有隐患，因为如果四边形是凹四边形或者有交叉的边，结果会变得一团糟。

关于效果，该单元还提供shadowing和一个被称为Toon Shading的独特功能（又称Cel Shading）：该单元不可编程，但也可以通过改变照明参数达到卡通效果。