Direct3D
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Direct3D(簡稱:D3D)是微軟公司在Microsoft Windows作業系統上所開發的一套3D繪圖編程介面,是DirectX的一部份,目前廣為各家顯示卡所支援。與OpenGL同為電腦繪圖軟體和電腦遊戲最常使用的兩套繪圖編程介面之一。
1995年2月,微軟收購了英國的Rendermorphics公司,將RealityLab 2.0技術發展成Direct3D標準,並整合到Microsoft Windows中,Direct3D在DirectX 3.0開始出現。後來在DirectX 8.0發表時與DirectDraw編程介面合併並改名為DirectX Graphics。
架構
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/85/D3D_Abs.svg/185px-D3D_Abs.svg.png)
Direct3D與Windows GDI是同層級組件。Direct3D裝置有二種不同的操作模式:windowed和exclusive。在windowed模式下,必須使用back buffer。在Exclusive模式下,Direct3D直接呼叫顯示卡驅動程式,而不通過GDI。
Direct3D的抽象概念包括:devices, swap chains和resources。
有4種device type,D3DDEVTYPE定義了設備類型。
- HAL(hardware abstraction layer):使硬體加速。
- reference:應用程序請求一個reference設備。
- null reference:當系統沒有裝SDK,但是應用程序請求一個reference設備的時候,它就返回一個null reference。
- 可插拔的軟件(Pluggable software);設備通過RegisterDevice設備方法提供。
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3f/D3DDevice.svg/190px-D3DDevice.svg.png)
每一個裝置至少要有一個swap chain.一個swap chain可用來產生一個或多個back buffer surfaces。渲染目標(render target)也是back buffer surface。back buffer是屬於渲染(render)的部份。所有的back buffer都是合理的render target,但是並非所有render target都是back buffer。surface是一種資源,包含一個矩形集合的像素數據,如color, alpha, depth/stencil。
資源有4個屬性:
- Type:資源的類型,如頂點緩衝區(vexert buffer),或一個渲染目標(render target)。
- Usage:資源的用途,如紋理(texture)或渲染目標,是一系統的旗標所組成,每個旗標佔1 bits。
- Format:資料的格式,如一個二維表面的像素格式。例如,D3DFMT_R8G8B8的值是一個24 bits的顏色深度(colour depth,8 bits是紅色,8 bits綠色以及8 bits是藍色)。
- Pool[1]:資源所分配的內部記憶體空間類型。
管道
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d2/D3D_Pipeline.svg/220px-D3D_Pipeline.svg.png)
Direct3D 10 API定義了vertices(頂點), textures(紋理), buffers(緩衝區),以及state群組轉換到螢幕上的流程。這樣的流程被描述成rendering pipeline(渲染流水線),其中有著許多不同的階段. Direct3D 10 渲染流水線的各階段包括:[2] are:[3]
- 輸入組裝(Input Assembler):從程式裡讀取頂點,並將程式提供的數據裝進流水線。
- 頂點著色引擎(Vertex Shader): 每次處理一個頂點,比如變換、貼圖、光照。
- 幾何著色器(Geometry Shader): Shader Model 4.0引進了幾何著色器,使用Shader資源來處理點、線、面的幾何坐標變換,一次最多處理六個點,快速地將模型類似的頂點結合起來進行運算。此一過程無需CPU參與。
- 流輸出(Stream Output):將Vertex Shader和Pixel Shader處理完成的數據輸出給使用者。
- 光柵化(Rasterizer): 把算完的頂點轉成像素,再將像素(pixels)輸出給pixel shader. 這裡亦可執行其他工作,像是切割非視覺性的像素,或者對頂點進行插值以得到像素數據。
- 像素著色引擎(Pixel Shader):決定最後要往渲染目標(render targe)寫入的像素顏色,同時也可以計算一個準備寫到深度緩衝區的深度值。
- 輸出混合(Output Merger):接收來自於pixel shader的slice,進行傳統的Stencil測試和Depth測試,整併各種不同的輸出資料,用以建立最後之結果。
顯示模式
Direct3D有兩種display modes:
- 全螢幕模式(Fullscreen mode):全螢幕是指畫面全部被Direct3D所佔據,不會再顯示其他的視窗畫面。目前市面上發展的遊戲軟體多採用此模式。
- 視窗模式(Windowed mode):視窗模式是指可以有多個視窗同時出現在螢幕上。
歷史
1992年,Servan Keondjian開創RenderMorphics公司,成立了一個Reality Lab實驗室,專事3D圖形技術及API技術研究。有兩種版本的API被釋出。1995年2月微軟買下RenderMorphics,由Keondjian在Windows 95上開發3D圖形引擎,主持Direct3D項目的開發。
Window 95推出之時,微軟一口氣發表了DirectX 1.0、DirectX 2.0和DirectX 3.0。DirectX 1.0推出時,只包括DirectDraw、DirectPlay、DirectInput、DirectSound四部分,DirectX 2.0內附了Direct 3D,但功能有限,無法與OpenGL、3dfx等API函數相提並論。1996年9月發布的Direct 3.0被認為是DirectX的第一套完整版本。不久,DirectX 3.0更新3.0a、3.0b,版號從4.04.00.0068增加到了「4.04.00.0069」,僅是附加了一個被稱為Direct3D的組件,這正是Keondjian的傑作。當時的Direct3D有兩種模式,一是Retain模式,另一個是Immediate模式,皆以COM建構而成。1996年Westwood工作室發布以DirectX開發的即時戰略遊戲《紅色警戒》,大賣1200萬套。
DirectX 4.0並未推出就有DirectX 5.0。1997年6月推出DirectX 5.0,加入DrawPrimitive API,加入了對MMX的支援,不久微軟又推出支援D3D加速卡的DirectX 5.0a版和5.1版、5.2版。
Direct3D 6.0,1998年秋微軟推出,引進多重貼圖(multitxture)以及stencil buffer
Direct3D 7.0引進硬體座標轉換以及光影計算(Hardware Transform and Lighting),並支援.dds檔[4]。
Direct3D 8.0引進了可編程管道(Programable Function Pipeline)的概念,Direct3D在8.0版以前只能工作在固定管道(Fixed Function Pipe-line)的模式下。2001年微軟正式發表的Direct3D 8.0支援處理頂點的Vertex Shader,以及處理像素的Pixel Shader。使Direct3D的技術正式超越勁敵OpenGL。DirectX 8中的著色器是用低階著色器語言(Low Level Shading Language)編寫的。
Direct3D 9.0使用HLSL(全稱High Level Shading Language)編寫Vertex Shader和Pixel Shader[5],有助於著色器的編寫和所產生程式碼的效率,並且大幅地縮短設計時間。Windows Vista推出DirectX的兩種新類型:Direct3D 9Ex和Direct3D 10。Direct3D 9Ex是DirectX 9的擴充版,除了Direct3D 9外,還增加了Windows Vista driver部分新功能的應用程序而設計。Direct3D 9Ex和Direct3D 10均構建於WDDM之上。只有透過WDDM才能在Vista上使用Direct3D。
Direct3D 10
Direct3D 10相對Direct3D 9大量代碼重新編寫,Direct3D 10著眼在高階繪圖程式,所有render都要寫shader。但本質上功能並沒有太大改變,只能算是對舊XP時代的問題重新更正,提供更高的可程式化及資源運用,以適合Vista使用。
Direct3D 10新特色:
- 全新的graphics pipeline:
- fixed pipeline皆改成programmable的shader,
- 增加geometry shader、stream out,
- culling、cliping、blending等stage合為output merger stage
- 新的resource type: constant buffer、texture array。Texture array可容許最多512個Texture。
- resource引進view的概念
- guaranteed feature set
- GPU呈現多工(multitasking)
Direct3D 10.1
Direct3D 10.1是Direct3D 10.0的小型的更新,2007年8月微軟釋出Direct3D 10.1以及Shader Model 4.1的測試版本。Direct3D 10.1規定幾個更多圖像質量標準為圖表供營商,給予開發商對圖像質量(image quality)的更多控制[6][7]。XAudio 2 將取代DirectSound,成為最新的跨平台音頻API。
Direct3D 11
Direct3D 11架構於Direct3D 10的基礎之上,但相較於Direct3D 10只支援Vista作業系統, Direct3D 11更可以支援Windows 7及Windows Vista。Direct3D 11新增以下的功能:
- 鑲嵌(Tessellation, 即曲面細分)
- 多執行緒渲染(Multithread Render)
- 計算着色器(Compute Shader):支援GPGPU,提供新版HLSL語言,與 nVidia 的 CUDA 或OpenCL 功能類似。
其他還有物件導向化的Shader Model 5等功能。之前DirectX 10還是單執行緒,檔案存取與繪圖指令共用同一個執行緒,容易造成畫面遲緩的現象,與DirectX 10相比,Direct3D 11有了更好的解決方案。
DirectX 11的pipeline新增Hull Shader、Tessellator、Domain Shader來實現tessellation, 可以快速讓成像3D的小三角型快速增加。至於Computer Shader則是GPGPU的實現,以GPU的平行處理能力與浮點運算能力來實現CPU的運算,能夠同時支援ATI以及Nvidia的顯示卡,不受繪圖流程的限制。DirectX11還支持Intel的支持Ray Tracing(光線跟蹤)與Rasterization(光柵化)技術,使3D效果更真實,更加逼真。
以Direct3D開發3D圖形程序,可以採用COM inteface,也可以採用.NET Framework的方式,WPF會使用Direct3D 9與GPU。Direct3D 11技術是DX10.1的超集,支援DX11.0、DX10.1/10.0、DX9.3/9.2/9.1等。
Windows 7 Desktop Windows Manager將會支持Direct3D 10.1 API。可將顯卡帶寬的佔用率降低大約50%。DirectX 11可向下相容於DirectX 10的顯示卡,同時也能夠在Windows 7與Vista上執行。
Direct3D 12
Direct3D 與 Windows Vista
Vista 引入了 DirectX 的兩種新類型:Direct3D 9Ex 和 Direct3D 10。DirectX 10僅適用於Windows Vista,針對 Windows Vista 進行了全新構建,構建於Vista 顯示器驅動程序模型 (WDDM) 之上,並引入新的硬體模式、繪圖管線和渲染特性,讓開發人員更接近硬體。一些由於遊戲需要SM 2.0,Vista 將使用SM 2.0來渲染桌面。
範例
用Direct3D 9畫三角形:
// A 3-vertex polygon definition
D3DLVERTEX v[3];
// Vertex established
v[0]=D3DLVERTEX( D3DVECTOR(0.f, 5.f, 10.f), 0x00FF0000, 0, 0, 0 );
// Vertex established
v[1]=D3DLVERTEX( D3DVECTOR(0.f, 5.f, 10.f), 0x0000FF00, 0, 0, 0 );
// Vertex established
v[2]=D3DLVERTEX( D3DVECTOR(0.f, 5.f, 10.f), 0x000000FF, 0, 0, 0 );
// Function call to draw the triangle
pDevice->DrawPrimitive( D3DPT_TRIANGLELIST, D3DFVF_LVERTEX, v, 3, 0 );
用Direct3D 11畫三角形:
struct Vertex { float x, y, z; D3DCOLOR color; };
Vertex triangle[] = {
{ 0.f, 5.f, 10.f, 0x00FF0000 },
{ 0.f, 5.f, 10.f, 0x0000FF00 },
{ 0.f, 5.f, 10.f, 0x000000FF }
};
// set Flexible Vertex Format
pDevice->SetFVF(D3DFVF_XYZ | D3DFVF_DIFFUSE);
// Draw - UP stands for 'user pointer', that is data
// that is provided through a pointer and not through buffers
pDevice->DrawPrimitiveUP(D3DPT_TRIANGLELIST, 1, triangle, sizeof(Vertex));
注釋
- ^ Direct3D Resources - Memory pool. [2010-03-22]. (原始內容存檔於2008-05-09).
- ^ Direct3D 9.0 pipeline diagram. [2008-11-14]. (原始內容存檔於2007-10-31).
- ^ Direct3D 10 pipeline stages. [2008-11-14]. (原始內容存檔於2008-04-09).
- ^ Direct3D 7 introduces DirectDraw Surface (.dds) format. [2010-03-22]. (原始內容存檔於2010-03-07).
- ^ HLSL in Direct3D 9.0. [2008-11-16]. (原始內容存檔於2010-08-27).
- ^ Microsoft Presents DirectX 10.1 Details at SIGGRAPH. 2007-08-07 [2007-08-27]. (原始內容存檔於2007-09-09).
- ^ DirectX SDK: Direct3D 10.1 Features. [2011-01-27]. (原始內容存檔於2010-01-11).
參見
外部連結
- DirectX website
- DirectX 10: The Future of PC Gaming(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) Technical article discussing the new features of DirectX 10 and their impact on computer games
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