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微軟在2009年8月的DirectXSDK中釋出了DirectX的正式版本。基於對DirectX的一貫興趣，我把DirectX Graphics的文件邊看邊譯為中文。也算是一份學習筆記吧。

眾所周知，Direct3D是在Windows平臺上開發實時3D應用的軟體開發介面。隨著Windows作業系統的升級，Direct3D的版本也隨著升級。WindowsXP對應Direct3D9的各個版本，Vista對應D3D10，10.1，Windows7則對應D3D11。所以在XP平臺上是沒法做D3D10及以上的開發了。不過看起來因為Win7實際上是Vista的一個升級，所以微軟也準備在Vista上支援D3D11。

D3D11是D3D10的一個超集，即它包含了D3D10的所有功能，並在其渲染管線上添加了一些新的特性。根據官方的文件，D3D11的新特性包括：

ComputerShader（計算著色器）

計算著色器能把GPU當成一種通用功能的並行處理器來使用。其實在D3D9時代就已經可以應用GPU來進行GP（General-Purpose）計算了，只不過那時候需要使用一些特殊的手段來處理（比如將資料包裝成“紋理”）。在D3D11中專門實現了這樣一個著色器階段來支援GP計算，應該使得開發這類應用更為方便一些了。（參考NVIDIA的CUDA 技術以及OpenCL標準）

雖然計算著色器也是通過D3DDevice進行訪問的，並能和其他的圖形著色器共享記憶體資源，但它並不直接連線到其他的著色器階段上面。這大概是因為ComputerShader並不直接與圖形渲染功能相關吧。

Dynamic Shader Linkage（動態著色器連結）

D3D11包含的SM5（Shader Model規範）支援面嚮物件語言的構建方式，並支援執行時的著色器連結。

多執行緒（Multithreading）

隨著CPU的多核化趨勢漸漸普及，D3DAPI對多執行緒的支援勢在必行。D3D11對多執行緒提供了這樣的功能支援：

• 併發的物件建立 - 可以在多個執行緒中併發地進行物件（資源、著色器等）的建立。
• 在多執行緒中建立命令列表 - 命令列表是一個記錄了圖形處理命令的序列。在D3D11中，可以在多個執行緒中建立命令列表，然後又主渲染執行緒來發送這個命令列表到渲染硬體。

Tessellation（細分）

細分技術使得能夠用不同的精度等級（LOD，Level of detail）來渲染一個模型。GPU可以根據所需的LOD來處理輸入的模型，以得到相應負責度的實際模型。這項技術可以大大減少記憶體頻寬對三角形數量的限制。這項技術通過兩個新的著色器階段來實現：Hull Shader（殼著色器）和Domain Shader（域著色器）。

除了上面的4項主要的特性外，D3D11還支援：

• 通過在建立Device的時候指定特性等級（feature level），D3D11可以在低於等級的硬體（即不完全支援D3D11規格的硬體）上執行。
• ShaderModel 5
• 大記憶體支援 支援超過4GB的資源。
• …(有待深入瞭解)

 

DirectX11 不但包含了新的Direct3D 11。 還引入了兩個新的圖形元件： Direct2D和DirectWrite。

Direct2D是一套硬體加速的、立即模式的2D圖形繪製介面。（是用來取代GDI，GDI+，DirectDraw嗎？） 它能高效能、高質量地繪製2D圖形、點陣圖以及文字。D2D能與D3D及GDI良好地互操作。

DirectWrite支援高質量的文字渲染，與解析度無關的字型輪廓線繪製，全unicode文字支援及佈局處理等等。

 

在D3D API 中， Device（裝置）是一個核心的概念，Device是對一個圖形硬體的抽象，它負責建立和銷燬其他的物件，渲染圖元等功能。D3D11中，Device物件主要用來管理資源，而DeviceContext物件執行渲染操作。一個物件只能被建立它的Device使用。多個Device可以通過共享資源來共享資料，但這個共享的資源也只能在建立它的Device內使用。（意思就是說多個Device都可以訪問共享物件裡面的資料，但處了建立Device之外，其他Device不能直接把這個資源連線到渲染管線上使用）

每個Device都由一個ID3D11Device介面來代表，可以通過D3D11CreateDevice或者D3D11CreateDeviceAndSwapChain函式來建立這個介面。每個Device都可以使用一個或多個DeviceContext，這主要是用來支援多執行緒操作。

D3D11CreateDevice函式的原型如下：

HRESULT D3D11CreateDevice(IDXGIAdapter*pAdapter,D3D_DRIVER_TYPEDriverType,HMODULESoftware,UINTFlags,CONST D3D_FEATURE_LEVEL*pFeatureLevels,UINTFeatureLevels,UINTSDKVersion,ID3D11Device **ppDevice,D3D_FEATURE_LEVEL*pFeatureLevel,ID3D11DeviceContext **ppImmediateContext);

引數解析：

IDXGIAdapter *pAdapter： 顯示介面卡介面。表示要建立的Device與這個介面卡硬體對應。一臺電腦上可能安裝多個顯示介面卡（即顯示卡），可以使用IDXGIFactory::EnumAdapters函式來遍歷所有的介面卡。傳入NULL的話就表示使用預設的介面卡（你的電腦上至少應該有一個顯示卡吧）。

D3D_DRIVER_TYPEDriverType：建立的Device的型別。可能的值有：

• D3D_DRIVER_TYPE_UNKNOWN： 未知型別，建立裝置時不能使用
• D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE： 硬體裝置，指使用硬體來實現D3D的功能。它使用硬體來加速D3D功能，並用軟體實現硬體不支援的部分，因此能提供最好的效能。這一種裝置型別通常都用一個HAL（Hardware Abstraction Layer，硬體抽象層）來代表。
• D3D_DRIVER_TYPE_REFERENCE： 參考裝置，即使用軟體（CPU上執行）來實現D3D的所有功能。參考設備註重功能的準確性而不保證速度。因此主要用來做功能的測試、演示與除錯等。參考裝置由DirectXSDK提供(D3D11Ref.dll ？)。這個裝置通常叫做REF Device或Reference rasterizer（光柵器）
• D3D_DRIVER_TYPE_NULL： 空裝置，即不提供D3D渲染功能的裝置，它主要用來測試一些非測試的API的功能。它也是由DirectXSDK提供。
• D3D_DRIVER_TYPE_SOFTWARE：  軟體渲染器，也是由軟體實現D3D的所有功能。這個渲染器必須由使用者自己實現，並通過一個DLL提供。
• D3D_DRIVER_TYPE_WARP： Windows Advanced Resterization Platform。 一個高效能的軟體光柵器。提供特性集9.1到10.1的支援。

HMODULESoftware：軟體渲染器DLL，如果不用軟體渲染器的話，傳入NULL

UINTFlags：建立標記，這寫標記主要用來控制建立的Device中的層次，這些標記可以按位與操作。如果不特別指定的話，傳入0。  D3D11_CREATE_DEVICE_FLAG 的取值有：

• D3D11_CREATE_DEVICE_SINGLETHREADED = 0x1,  設定Device為單執行緒使用。D3D11預設是支援多執行緒使用的，即在每個API的呼叫中都會進行鎖保護。如果確定不會在多執行緒環境中使用，則設定該標記，則不會進行鎖保護，這樣可以提高效能。
• D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG = 0x2,  讓Device支援除錯層
• D3D11_CREATE_DEVICE_SWITCH_TO_REF = 0x4,  同時建立REF和HAL裝置，這樣就可以在執行時進行切換，以支援除錯功能。
• D3D11_CREATE_DEVICE_PREVENT_INTERNAL_THREADING_OPTIMIZATIONS = 0x8,  阻止建立多執行緒（這個需要深入瞭解）
• D3D11_CREATE_DEVICE_BGRA_SUPPORT = 0x20, 在允許D2D與D3D互操作時設定

CONST D3D_FEATURE_LEVEL *pFeatureLevels, UINTFeatureLevels：指向一組特徵集。建立函式會按順序嘗試這些特徵集，並選擇第一個能支援的特徵集。傳入NULL的話，則會依次嘗試從高到低（SM5->SM2）的所有特徵集。  特徵集的可選項有：

• D3D_FEATURE_LEVEL_9_1 = 0x9100,   SM2
• D3D_FEATURE_LEVEL_9_2 = 0x9200,   SM2
• D3D_FEATURE_LEVEL_9_3 = 0x9300,    SM3
• D3D_FEATURE_LEVEL_10_0 = 0xa000,    SM4
• D3D_FEATURE_LEVEL_10_1 = 0xa100,    SM4
• D3D_FEATURE_LEVEL_11_0 = 0xb000,    SM5

UINTSDKVersion： SDK版本，傳入D3D11_SDK_VERSION，這是由SDK設定的一個常數

ID3D11Device **ppDevice,D3D_FEATURE_LEVEL *pFeatureLevel,ID3D11DeviceContext**ppImmediateContext  三個返回值，返回建立的Device，立即DeviceContext及當前的特徵集。

Device Context 包含了Device的環境或設定。更精確地說，DeviceContext用來設定渲染狀態，產生渲染命令，並使用資源。D3D11實現了兩種Context，一種是立即渲染（immediate rendering），一種是延遲渲染（deferred rendering）。它們都由ID3D11DeviceContext介面代表。每個執行緒只能有一個Context，一般主執行緒擁有立即Context，用於渲染，其他工作執行緒擁有延遲Context。

一個Device有且只有一個立即Context，它用來直接繪製到硬體，它能夠從GPU獲取資料，也可以用來立即執行（或回放）一個命令列表。立即Context可以在建立Device時獲取，也可以通過ID3D11Device::GetImmediateContext（）介面獲取。

延遲Context將GPU命令記錄到命令列表之中。它主要用來在主執行緒之外記錄渲染命令。建立延遲Context時將不會繼承任何的立即Context的狀態。延遲Context通過ID3D11Device::CreateDeferredContext（）介面建立。

ID3D11Device介面函式都是執行緒安全的，但ID3D11DeviceContext介面不是執行緒安全的，即必須只能在一個執行緒內進行呼叫。這區別於ID3D10Device介面。

 

 

D3D11 執行時是按照層次構建的，核心層提供了最基本的功能，外圍層則提供了一些可選功能及輔助程式設計師進行開發的功能。通常來講，外圍層新增新的功能，但不改變裡層的已有行為。在建立裝置時核心層是必須的，外圍層可以使用D3D11_CREATE_DEVICE_FLAG標記進行配置。

Core Layer： 核心層預設就被建立。它提供了圖形裝置驅動和API之間的簡單對映。它只提供最關鍵性的校驗，以儘量減少開銷，提供最佳的效能。

Debug Layer： 除錯層提供了更多的一致性檢查，並提供更多新返回資訊。這會導致一定的效能損失，並且需要額外的DLL來支援（D3D11SDKLayers.dll）

所以，在釋出版本中只保留Core Layer，而在開發過程中可以使用Debug Layer。

 

 

 

資源為渲染管線提供資料。它可以是從外部載入的，也可以在執行時動態生成。典型的資源包括紋理資料、頂點資料(幾何資料)和著色器資料。資源可以是強型別的或無型別的。也可以指定資源的讀寫屬性。資源可以被CPU或/和GPU訪問。每個渲染管線狀態至多可以有128個活動的資源。

有兩種方式指定資源的記憶體佈局（即格式），一種是在建立資源時，另一種是在將資源繫結到管線上時。前一種稱為有型別的資源，後一種稱為無型別資源。無型別資源可以通過資源檢視來指導型別並繫結到渲染管線上，一個資源可以同時擁有多個檢視，並同時繫結到多個渲染管線階段上。

資源主要分為紋理和快取兩大類。

D3D11資源系統的類圖如下：

渲染管線狀態根據一個檢視來解析資源資料。一個檢視就像一種轉換，將資料解析成適合某種用途的格式。

四種檢視：

• ID3D11DepthStencilView      訪問一個作為深度-模板快取的紋理資源
• ID3D11RenderTargetView         訪問一個作為渲染目標的紋理資源
• ID3D11ShaderResourceView             訪問一個著色器資源，比如常數快取，紋理快取，紋理或者取樣器
• ID3D11UnorderedAccessView           質畫素著色器或計算著色器中訪問無序的資源。

子資源（Subresource） 是一個資源的一部分。一個Buffer資源只有一個子資源，而紋理資源根據維、Mipmap及array的不同，會有多種情況。紋理的每一個Mipmap等級，array中的每個元素都單獨構成一個子資源。

Buffer是用來存放描述幾何體的資料，幾何體索引資料以及著色器資料。buffer資源必須是有型別的，一個buffer是由一個個元素組成的，每個元素由一到4個元件組成。

Buffer可以用來存放頂點資料，法線資料，紋理座標，索引，以及裝置狀態等。 Buffer分為3種：

VertexBuffer（頂點快取） 存放每個頂點的資料

IndexBuffer（索引快取） 存放頂點索引資料

ConstantBuffer（常數快取） 存放著色器常量資料，也可以存放Stream-output的輸出。從概念上講，它就像一個單元件元素的陣列。常數快取只能使用D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER繫結。常數快取的大小必須是16bytes的整數倍，而且必須小於或等於D3D11_REQ_CONSTANT_BUFFER_ELEMENT_COUNT

Buffer使用ID3D11Device::CreateBuffer介面進行建立

HRESULT CreateBuffer(const D3D11_BUFFER_DESC *pDesc,const D3D11_SUBRESOURCE_DATA*pInitialData,ID3D11Buffer **ppBuffer);

引數解析如下：

const D3D11_BUFFER_DESC *pDesc： buffer描述結構

• UINT ByteWidth; Buffer的總大小，以byte記。
• D3D11_USAGE Usage;  Buffer的用途，即讀寫屬性。這主要根據對buffer的訪問/更新頻率來確定。
• UINT BindFlags;  指定Buffer如何繫結到渲染管線上。這個值是可以是D3D11_BIND_FLAG 的值的“或”，但通常只選擇一種繫結方式。
• UINT CPUAccessFlags;  Buffer的CPU訪問許可權，0表示CPU無法讀寫
• UINT MiscFlags; 其他輔助功能選項。
• UINT StructureByteStride;  當作為有結構的Buffer時，結構的大小

 

 

DXGI（DirectX Graphics Infrastructure，DirectX 圖形基礎架構） 提供了對圖形硬體進行底層管理的功能。這些功能不涉及顯示卡的高階特性（比如不需要區別D3D9級別顯示卡和D3D11級別顯示卡），因此是與D3D的圖形功能是分開的。 DXGI是提供了一個底層的通用框架來支援未來的硬體。DXGI最初是在D3D10中引入的。現在它支援D3D11。即DXGI和D3D可以分開進行進化，而且DXGI的進化應該比D3D慢。

DXGI的主要功能有：列舉顯示硬體裝置，將渲染好的幀呈現到輸出裝置，調整Gamma，以及全屏模式的切換等。DXGI的目的是溝通核心模式驅動和系統硬體。一個應用程式可以直接呼叫DXGI介面，也可以通過D3D介面間接使用DXGI的功能。

DXGI類結構圖如下：

列舉顯示介面卡（Adapter）

介面卡是對顯示硬體或軟體的抽象，它可以是一個顯示卡，也可以是一個軟體渲染器。一臺計算機可以有多個介面卡。一個介面卡可以有一個或多個輸出終端（Monitor）。每個輸出終端用一個IDXGIOutput介面來代表，介面卡用IDXGIAdapter來代表。IDXGIFactory用來列舉Adapter

呈現（Presentation）

D3D的功能是渲染到幀快取，然後DXGI將幀呈現到輸出終端上。為了得到最好的效能和效果，至少需要兩個快取，一個用於D3D的繪製，一個用於DXGI的呈現。也可能有不止兩個的幀。這樣一組幀快取就組成一個交換鏈（Swap Chain）SwapChain用IDXGISwapChain介面來表示。SwapChain有一個前快取，一到多個後快取。為了得到最好的效率SwapChain總是建立在顯示子系統（這個顯示子系統就是一個介面卡）中，這個系統包括GPU，DAC（Digital to Analog Converter，數模轉換器）以及記憶體。這個子系統通常是一個顯示卡，但也可能在主機板上實現。SwapChain分配在顯示子系統的記憶體中以提高呈現的速度。顯示子系統負責把SwapChain 前快取的資料呈現到輸出終端上。SwapChain可以被設定使用全屏或視窗模式繪製，這樣就不需要知道顯示終端是全螢幕還是一個視窗。全屏模式的SwapChain能切換顯示器的解析度以優化效能。

建立SwapChain

SwapChain包含一組Buffer，它們都有相同的尺寸和格式。SwapChain由IDXGIFactory::CreateSwapChain 函式建立。

HRESULT CreateSwapChain(IUnknown *pDevice,DXGI_SWAP_CHAIN_DESC*pDesc,IDXGISwapChain **ppSwapChain);

引數解析如下：

IUnknown *pDevice： D3D Device，SwapChain在建立時就必須繫結到Device。這個Device將繪製到SwapChain的Buffer中。

DXGI_SWAP_CHAIN_DESC *pDesc： SwapChain描述結構。欄位有：

• DXGI_MODE_DESC BufferDesc;  設定顯示模式，比如解析度，重新整理率，快取格式，掃描線模式，縮放模式。預設選項都是0，所以只需要改變你想改變的值。
• DXGI_SAMPLE_DESC SampleDesc;  設定多重取樣（multi-sampling）引數包括每畫素的取樣數量及圖形質量等級。預設不進行多重取樣，則兩個數值分別為1和0
• DXGI_USAGE BufferUsage; 設定表面的用法及CPU的訪問選項。後快取可以作為著色器的輸入或者渲染目標。
• UINT BufferCount; 快取的數量，包括前快取，
• HWND OutputWindow; 顯示視窗，不能為空
• BOOL Windowed; 是否視窗模式
• DXGI_SWAP_EFFECT SwapEffect;  設定當表面呈現之後對快取的處理方式。可選方式為：DXGI_SWAP_EFFECT_DISCARD = 0, 丟棄快取，即快取內容將不再被使用。應用程式只能操作索引為0的快取。 DXGI_SWAP_EFFECT_SEQUENTIAL = 1, 快取將不會被丟棄，按順序使用快取鏈中的快取，不能在多重取樣時使用。
• UINT Flags; 其他可選項。DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_NONPREROTATED = 1, 關閉影象自動旋轉DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_ALLOW_MODE_SWITCH = 2, 允許切換顯示模式。DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_GDI_COMPATIBLE = 4, 允許使用GDI來訪問快取。

 

 

D3D11 的圖形渲染管線是在D3D10 的基礎上進行擴充套件而得到的。D3D10的功能都得到了保留，並添加了一些新的特性。

兩個主要的新特性就是ComputerShader和Tessellation技術。注意ComputerShader並不是對圖形渲染的功能的擴充套件，所以沒有在渲染管線上體現出來。

 

 

DirectX Effect（特效？）是一組管線狀態的集合。如何組織管線狀態，也就決定了會得到什麼樣的渲染結果，所以Effect這個名字是名副其實的。Effect中的表示式是用HLSL語言寫成的，再加上一些Effect特定的語法。經過編譯以後，EffectAPI就可以載入Effect並控制渲染硬體進行渲染。Effect不止可以控制可程式設計階段的著色器，也可以控制不可程式設計階段的設定。

Effect可以管理的狀態包括：著色器狀態（shader state），在著色器中使用的紋理及取樣狀態（Texture and Sampler state），非可程式設計管線階段狀態。effect程式碼是純文字形式的，通常以fx為副檔名。

一個Effect檔案中可以包含多個渲染效果，每個渲染效果是一組完整的狀態集合，這組集合稱為一個Technique。通常的做法是把適合不同硬體平臺的效果放到不同的Technique中。一組Technique可以組織到一個group中（使用fxgroup）。通常可以這樣組織：一個Effect檔案包含多個Group，每個Group表示一種材質（即渲染效果），每個Group包含多個Technique,用來對應不同的硬體等級（配置），每個Technique都可以由一到多個pass組成。

Effect系統API是作為D3DX庫的一部分提供的，即它不是D3D核心API。它只是作為一個輔助工具提供，在實際開發中完全可以不用Effect來組織你的Material。

Effect系統API的意義都很直接，與Effect檔案的內容也幾乎是一一對應的，只是為應用程式提供了一個介面使用Effect檔案以及與Effect交換資料。

奇怪的是，D3D11的經典Sample Basic HLSL 也沒有使用ID3DX11Effect介面。Effect看起來很強大，但實際上還是不夠靈活啊。

 

 

D3D11支援在多執行緒中進行物件的建立和渲染。多執行緒的主要目的是調高效能。

D3D11的多執行緒支援分為兩個部分：

1 多執行緒式的物件建立

2 立即渲染與延遲渲染

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

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