Direct3D（微软公司制定的3D规格界面）

简介

Direct3D 界面

Direct3D（简称：D3D）是微软公司在Microsoft Windows操作系统上所开发的一套3D绘图编程接口，是DirectX的一部分，目前广为各家显示卡所支援。与OpenGL同为电脑绘图软体和电脑游戏最常使用的两套绘图编程接口之一。

Direct3D的抽象概念包括：devices, swap chains和resources。

有4种device type，D3DDEVTYPE定义了设备类型。

• HAL（hardware abstraction layer）：使硬件加速。

• reference：应用程序请求一个reference设备。

• null reference：当系统没有装SDK，但是应用程序请求一个reference设备的时候，它就返回一个null reference。

• 可插拔的软件（Pluggable software）；设备通过RegisterDevice设备方法提供。

Device

每一个设备至少要有一个swap chain.一个swap chain可用来产生一个或多个back buffer surfaces。渲染目标（render target）也是back buffer surface。back buffer是属于渲染（render）的部份。所有的back buffer都是合理的render target，但是并非所有render target都是back buffer。surface是一种资源，包含一个矩形集合的像素数据，如color, alpha, depth/stencil。

资源有4个属性：

• Type：资源的类型，如顶点缓冲区（vexert buffer），或一个渲染目标（render target）。

• Usage：资源的用途，如纹理（texture）或渲染目标，是一系统的旗标所组成，每个旗标占1 bits。

• Format：数据的格式，如一个二维表面的像素格式。例如，D3DFMT_R8G8B8的值是一个24 bits的颜色深度（colour depth，8 bits是红色，8 bits绿色以及8 bits是蓝色）。

• Pool：资源所分配的内部存储器空间类型。

Pipeline

Graphics pipeline process

Direct3D 10 API定义了vertices, textures, buffers，以及state组群转换到屏幕上的流程。这样的流程被描述成rendering pipeline有着许多不同的stages. The different stages of the Direct3D 10 pipelineare:

Input Assembler：从程序里读取vertex data并将程序提供的vertex buffer倒进pipeline.

顶点着色引擎（Vertex Shader）: Performs operations on a single vertex at a time，像是transformations, skinning，或lighting.

几何着色器（Geometry Shader）: Shader Model 4.0引进了几何着色器，使用Shader资源来处理点、线、面的几何坐标变换，一次最多处理六个点，快速地将模型类似的顶点结合起来进行运算。此一过程无需CPU参与。

Stream Output：将Vertex Shader和Pixel Shader处理完成的数据输出给用户。

Rasterizer: Converts primitives into pixels，再将像素（pixels）输出给pixel shader. The Rasterizer亦可运行其他工作，像是切割非视觉性的像素，or interpolating vertex data into per-pixel data.

像素着色引擎（Pixel Shader）：决定最后的像素颜色（pixel colour）to be written to the render target and can also calculate a depth value to be written to the depth buffer.

Output Merger：接收来自于pixel shader的slice，进行传统的Stencil测试和Depth测试，整并各种不同的输出数据，用以创建最后之结果。

显示模式

Direct3D有两种display modes:

• 全屏模式（Fullscreen mode）:全屏是指画面全部被Direct3D所占据，不会再显示其他的视窗画面。目前市面上发展的游戏软件多采用此模式。

• 视窗模式（Windowed mode）:视窗模式是指可以有多个视窗同时出现在屏幕上。

历史

1992年，Servan Keondjian开创RenderMorphics公司，成立了一个Reality Lab实验室，专事3D图形技术及API技术研究。有两种版本的API被发布。1995年2月微软买下RenderMorphics，由Keondjian在Windows 95上开发3D图形引擎，主持Direct3D项目的开发。

Window 95推出之时，微软一口气发表了

DirectX 1.0

DirectX 2.0

DirectX 3.0

DirectX 4.0

DirectX 5.0

Direct3D 6.0

Direct3D 7.0

Direct3D 8.0

Direct3D 9.0

Direct3D 10

Direct3D 10相对Direct3D 9大量代码重新编写，Direct3D 10着眼在高级绘图程序，所有render都要写shader。但本质上功能并没有太大改变，只能算是对旧XP时代的问题重新更正，提供更高的可编程化及资源运用，以适合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合为output merger stage

• 新的resource type: constant buffer、texture array。Texture array可容许最多512个Texture。

• resource引进view的概念

• guaranteed feature set

• GPU呈现多任务（multitasking）

Direct3D 10.1

Direct3D 10.1是Direct3D 10.0的小型的更新，2007年8月微软发布Direct3D 10.1以及Shader Model 4.1的测试版本。Direct3D 10.1规定几个更多图像质量标准为图表供营商，给予开发商对图像质量（image quality）的更多控制。XAudio 2将取代DirectSound，成为最新的跨平台音频API。

Direct3D 11

Direct3D 11架构于Direct3D 10的基础之上，但相较于Direct3D 10只支持Vista操作系统, Direct3D 11更可以支持Windows 7。Direct3D 11新增以下的功能：

• 镶嵌（Tessellation, 即曲面细分）

• 多线程渲染（Multithread Render）

• 计算着色器（Compute Shader）：支持GPGPU，提供新版HLSL语言，与nVidia的CUDA或OpenCL功能类似。

其他还有面向对象化的Shader Model 5等功能。之前DirectX 10还是单线程，文件访问与绘图指令共用同一个线程，容易造成画面迟缓的现象，与DirectX 10相比，Direct3D 11有了更好的解决方案。

DirectX 11的pipeline新增Hull Shader、Tessellator、Domain Shader来实现tessellation, 可以快速让成像3D的小三角型快速增加。至于Computer Shader则是GPGPU的实现，以GPU的平行处理能力与浮点运算能力来实现CPU的运算，能够同时支持ATI以及Nvidia的显卡，不受绘图流程的限制。DirectX11还支持Intel的支持Ray Tracing（光线跟踪）与Rasterization（光栅化）技术，使3D效果更真实，更加逼真。

以Direct3D开发3D图形程序，可以采用COM inteface，也可以采用.NET Framework的方式，WPF会使用Direct3D 9与GPU。Direct3D 11技术是DX10.1的超集，支持DX11.0、DX10.1/10.0、DX9.3/9.2/9.1等。

Windows 7Desktop Windows Manager将会支持Direct3D 10.1 API。可将显卡带宽的占用率降低大约50%。DirectX 11可向下兼容于DirectX 10的显卡，同时也能够在Windows 7与Vista上运行。

Direct3D 与 Windows Vista

Vista 引入了 DirectX 的两种新类型:Direct3D 9Ex 和 Direct3D 10。DirectX 10仅适用于Windows Vista，针对 Windows Vista 进行了全新构建，构建于Vista 显示器驱动程序模型 (WDDM) 之上，并引入新的硬件模式、绘图管线和渲染特性，让开发人员更接近硬件。一些由于游戏需要SM 2.0，Vista 将使用SM 2.0来渲染桌面。

示例

用Direct3D 9画三角形：

// A 3-vertex polygon definitionD3DLVERTEX v[3];// Vertex establishedv[0]=D3DLVERTEX(D3DVECTOR(0.f,5.f,10.f),0x00FF0000,0,0,0);// Vertex establishedv[1]=D3DLVERTEX(D3DVECTOR(0.f,5.f,10.f),0x0000FF00,0,0,0);// Vertex establishedv[2]=D3DLVERTEX(D3DVECTOR(0.f,5.f,10.f),0x000000FF,0,0,0);// Function call to draw the trianglepDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, D3DFVF_LVERTEX, v,3,0);

用Direct3D 11画三角形：

structVertex{floatx, 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 FormatpDevice->SetFVF(D3DFVF_XYZ|D3DFVF_DIFFUSE);// Draw - UP stands for 'user pointer', that is data// that is provided through a pointer and not through bufferspDevice->DrawPrimitiveUP(D3DPT_TRIANGLELIST,1, triangle,sizeof(Vertex));

注释

^Direct3D Resources -Memory pool.

^Direct3D 9.0 pipeline diagram.

^Direct3D 10 pipeline stages.

^Direct3D 7 introduces DirectDraw Surface (.dds) format.

^HLSL in Direct3D 9.0.

^Microsoft Presents DirectX 10.1 Details at SIGGRAPH. 2007-08-07[2007-08-27].

^DirectX SDK: Direct3D 10.1 Features.

参见

• WinG

• OpenGL

• HLSL

• WDDM

外部链接

• DirectX website

• DirectX 10: The Future of PC GamingTechnical article discussing the new features of DirectX 10 and their impact on computer games

相关事件

1995年2月，微软收购了英国的Rendermorphics公司，将RealityLab 2.0技术发展成Direct3D标准，并整合到Microsoft Windows中，Direct3D在DirectX 3.0开始出现。后来在DirectX 8.0发表时与DirectDraw编程接口合并并改名为DirectX Graphics。