DirectX 12 UltimateがWindows PCとXboxのグラフィックをいかに強化するか

DX12 アルティメット

画像: Nvidia

MicrosoftのDirectX 12 Ultimateは、WindowsとXbox Series Xの両方を支えるグラフィックテクノロジーの新バージョンであり、数々の最先端機能によって両プラットフォームの連携をさらに強化することを目指しています。さらに嬉しいことに、DX12 Ultimate対応ハードウェアは、Nvidia GeForce RTX 30シリーズグラフィックカード、AMD Radeon RX 6000シリーズグラフィックカード、そしてもちろんXbox Series Xでも購入できるようになりました。

Nvidia は、3 月の GDC 2020 での Microsoft の公式プレゼンテーションの前に期待される内容の詳細を共有しましたが、その理由は簡単にわかります。Microsoft の次世代コンソールは AMD によって駆動されますが、DirectX 12 Ultimate には、GeForce RTX 20 シリーズグラフィックスカードで初めて導入されたいくつかの革新的なテクノロジが新しい業界標準として組み込まれており、現在では PC とコンソールの両方にまたがり、「Ultimate」という名前が付けられています。

「PCとXbox Series Xのグラフィックプラットフォームを統合することで、DX12 Ultimateはゲーミングエコシステム全体の力強い推進力となります」と、Microsoftは3月の発表記事で述べています。「もはやサイクルは独立して機能するのではなく、相乗的に連携します。Xbox Series Xが発売される頃には、既に同じ機能セットを備えたDX12 Ultimate対応PCグラフィックカードが世界中に何百万枚も存在し、新機能の急速な導入を促進します。そして、Xbox Series Xが新たなコンソールゲーマーの波をもたらす時、PCも同様に、このDX12 Ultimate対応ハードウェアの急増の恩恵を受けるでしょう！その結果は？新機能の導入を促進するアドレナリンの爆発的な増加、画期的なグラフィックスがかつてない速さでゲーマーの手に届くようになるのです。」

DirectX 12 Ultimateは、DirectX Raytracing（DXR）Tier 1.1をサポートしています。これは、最初のイテレーションからの増分アップデートです。この最先端のライティング技術は、GeForce RTX 20シリーズGPUで注目を集め、Nvidiaが従来の「GTX」ブランドを「RTX」に変更するほどでした。また、次世代Xbox Series Xの主要機能にもなっています。（PlayStation 5もハードウェアベースのレイトレーシングをサポートしていますが、SonyのシステムはDirectX技術に依存していません。）DXR 1.1で最も注目すべき追加機能は、インラインレイトレーシングです。これは、Microsoftによると、「開発者が作業スケジュールをシステムに完全に任せるのではなく、レイトレーシングプロセスのより多くの部分を制御できるオプションを提供する」新しい技術です。

レイトレーシングは、 Control、Minecraft、 Metro Exodusのように効果的に使用すれば、息を呑むほど美しい映像を実現できます。これまでは導入が限られていましたが、コンソールに搭載されたことで、レイトレーシングの人気は爆発的に高まると予想されます。今年のホリデーシーズンの注目作の多くはこの技術に対応しており、 Watch Dogs: Legion、 Call of Dutyの 新作、そして待望の Cyberpunk 2077などが挙げられます。

レイトレーシングは、NVIDIAのTuringアーキテクチャによって導入され、DirectX 12 Ultimateで体系化される唯一の技術ではありません。他に2つのインテリジェントレンダリング機能があり、GPUの負荷を軽減し、よりスマートに動作させます。開発者がこれらの機能を採用すれば、グラフィックカード（またはXbox）の潜在パフォーマンスを大幅に向上させることができます。

DX12 Ultimate ハードウェアは、可変レートシェーディング (VRS) ティア 2 もサポートする必要があります。Nvidia Turing GPU の詳細な分析では、可変レートシェーディングについて次のように説明しました。

可変レートシェーディングは、NVIDIAが長年サポートしてきたマルチ解像度シェーディングの強化版のようなものです。人間の目は、視界内の焦点部分のみをフルディテールで見ることができ、周辺部や動いている物体はそれほど鮮明ではありません。可変レートシェーディングはこれを利用し、主要なオブジェクトをフル解像度でシェーディングし、二次的なオブジェクトを低レートでシェーディングすることで、パフォーマンスを向上させます。
この技術の潜在的な活用例の一つとして、モーションアダプティブシェーディングが挙げられます。これは、動きのあるシーンの重要でない部分を低解像度でレンダリングする技術です。上の画像は、 Forza Horizonでどのように処理されるかを示しています。従来は画面のあらゆる部分がフルディテールでレンダリングされていましたが、モーションアダプティブシェーディングでは、シーンの青い部分だけが高精細にレンダリングされます。

可変レートシェーディングは、 Wolfenstein IIに搭載されたコンテンツアダプティブシェーディング技術など、他の用途にも使用できます。コンテンツアダプティブシェーディングはモーションアダプティブシェーディングと同じ基本原理を適用しますが、画面上のディテールが低い部分や類似色の大きな帯状の部分を動的に識別し、ディテールの低い部分にシェーディングを適用します（特に動きのある部分ではその傾向が顕著です）。これにより、視覚的な品質の低下を最小限に抑えながら、全体的なパフォーマンスが向上します。

高フレームレートの目利きとして、こうしたスマートなレンダリング技術を実際に目にするたびに、その魅力に魅了されてきました。VRSがDX12 Ultimateと次世代コンソールに搭載されたことで、開発者がこうしたツールをより頻繁に導入してくれることを期待しています。Gears Tactics や Dirt 5といった最近のタイトルでは、可変レートシェーディング（VRS）が既に導入されており、その人気ぶりは既に伺えます。

NVIDIAによると、Microsoftの最新バージョンのAPIではメッシュシェーダーのサポートも求められています。ここでも、メッシュシェーディングの概念はNVIDIAのTuring GPUによって導入されました。当時の私たちの見解は次のとおりです。

メッシュシェーディングは、数万から数十万のオブジェクトを含む、視覚的に非常に複雑なシーンでCPUの負荷を軽減するのに役立ちます。メッシュシェーディングは2つの新しいシェーダーステージで構成されています。タスクシェーダーはオブジェクトのカリングを実行し、シーンのどの要素をレンダリングする必要があるかを決定します。これが決定されると、メッシュシェーダーは可視オブジェクトのレンダリングの詳細レベルを決定します。遠くにあるオブジェクトはより低い詳細レベルを必要とし、近くにあるオブジェクトは可能な限り鮮明に表示する必要があります。
NVIDIAは、30万個の小惑星が点在する広大なフィールドを宇宙船で飛行する、印象的なプレイアブルデモでメッシュシェーディングを披露しました。膨大なオブジェクト数にもかかわらず、デモは1秒あたり約50フレームで動作しました。これは、メッシュシェーディングによって、最大3兆個にも及ぶ三角形の描画が、任意の時点で約1万3000個にまで削減されたためです。

デモでは非常に印象的でした。NvidiaのAsteroidsデモは以下で動作確認でき、仕組みの詳細についてはこちらをご覧ください。GeForce RTX 20シリーズGPUが発売されてから1年以上経ちますが、メッシュシェーディングを活用したゲームはまだありません。Nvidiaは、この技術がDX12 Ultimateに追加されたことで、今後普及が進むと期待しています。

VRS の実装方法について詳しく知りたい方は、GeForce のブログ記事「Wolfenstein: Youngbloodにおける Nvidia Adaptive Shading」をご覧ください。Youngbloodの NAS は、コンテンツアダプティブシェーディングとモーションアダプティブシェーディングという 2 種類の異なる可変レートシェーディングを組み合わせることで、「視覚的な品質の低下をほとんど感じさせずに、パフォーマンスを最大 15% 向上」させています。

最後に、DirectX 12 Ultimateでは、サンプラーフィードバックと呼ばれる技術のサポートも必須です。Microsoftによると、サンプラーフィードバックは「画質の向上、読み込み時間の短縮、カクツキの低減を実現する」とのことです。

「基本的に、これはテクスチャサブシステムがシェーディングサブシステムと何らかの通信を行えるようにすることで、開発者がサンプリング、フィルタリング、そしてLOD（詳細レベル）の管理方法についてよりインテリジェントな選択を行えるようにするものです」と、NVIDIAのトニー・タマシ氏は記者会見で説明した。「私たちはこれをテクスチャ空間シェーディングで実証しました。これは、特定のシェーディングを空間的または時間的に、空間または時間を超えて再利用できるという考え方です。これにより、開発者は不要なシェーディングを何度も繰り返して再シェーディングするよりも、不要なシェーディングを何度も繰り返して再シェーディングする方がパフォーマンスを向上できる可能性があります。」

VR ワークロードの場合、サンプラーフィードバックを使用してシーン内のすべてのピクセルを一度レンダリングし、それをもう一方の目に再投影するだけで、「シェーディング計算を実質的に半分に節約できます」と Tamasi 氏は述べています。

「同じようなことを時間的にも行うことができます」とタマシ氏は続けた。「例えば、遠くに山があり、その山全体にダイナミックなライティングの変化があまりないとします。その山のシェーディングを、ゲームに合わせて1フレームおき、あるいは10フレームおきに更新することも可能です。こうすることで、シェーディング計算をすべて省くことができ、開発者はユーザーが目にする重要な部分に品質を集中させることで画質を向上させ、あまり重要ではない部分ではパフォーマンスを節約できます。」

興味深いですね。

GeForce RTX 3080 3 — Nvidia の GeForce RTX GPU は DirectX 12 Ultimate をサポートしています。

これらの技術の多くは、1年以上前にNVIDIAの「Turing」GeForceグラフィックカードで初めて登場しましたが、レイトレーシング以外にも、DirectX 12 Ultimateの他の機能はGPUをよりスマートに動作させてパフォーマンスを向上させることに重点を置いていることも注目に値します。リアルタイムレイトレーシングは、専用のハードウェアを搭載していても、グラフィックチップに大きな負荷をかけます。パフォーマンスを向上させるソフトウェア的なトリック（PC版NVIDIAのDLSSなど）で補完することは、賢明なだけでなく、必須と言えるでしょう。

DirectX 12 Ultimate に準拠するには、PC ハードウェアがこれらのテクノロジーをすべてサポートしている必要があります。Nvidia の GeForce RTX グラフィックスカードはもちろんのこと、Xbox Series X や AMD の Radeon RX 6000 シリーズ GPU も既にサポートしています。さらに、これらの DX12 Ultimate ハードウェアはすべて、NVMe SSD とグラフィックスカードをより密接に連携させ、PC でのゲーム読み込み時間を短縮する Microsoft API である DirectStorage もサポートしています。

DirectX 12 Ultimate の機能について、より技術的な詳細を知りたい方は、Microsoft の DirectX チームの投稿をご覧ください。また、お使いのコンピューターのハードウェアが適切な性能かどうかわからない場合は、Windows 10 の Xbox Game Bar で、ゲーミング PC が DirectX 12 Ultimate に対応しているかどうかを確認できます。

編集者注: この記事はもともと 2020 年 3 月 19 日に公開されましたが、Microsoft の DX12 Ultimate 発表投稿の情報を含めるように更新され、その後、次世代コンソールと GPU が API のサポートとともに発売された後にさらに多くの情報が追加されました。