DirectX 11 编程指南

微软在2009年8月的DirectXSDK中发布了DirectX的正式版本。基于对DirectX的一贯兴趣，我把DirectX Graphics的文档边看边译为中文。也算是一份学习笔记吧。

众所周知，Direct3D是在Windows平台上开发实时3D应用的软件开发接口。随着Windows操作系统的升级，Direct3D的版本也随着升级。WindowsXP对应Direct3D9的各个版本，Vista对应D3D10，10.1，Windows7则对应D3D11。所以在XP平台上是没法做D3D10及以上的开发了。不过看起来因为Win7实际上是Vista的一个升级，所以微软也准备在Vista上支持D3D11。

D3D11是D3D10的一个超集，即它包含了D3D10的所有功能，并在其渲染管线上添加了一些新的特性。根据官方的文档，D3D11的新特性包括：

ComputerShader（计算着色器）

计算着色器能把GPU当成一种通用功能的并行处理器来使用。其实在D3D9时代就已经可以应用GPU来进行GP（General-Purpose）计算了，只不过那时候需要使用一些特殊的手段来处理（比如将数据包装成“纹理”）。在D3D11中专门实现了这样一个着色器阶段来支持GP计算，应该使得开发这类应用更为方便一些了。（参考NVIDIA的CUDA 技术以及OpenCL标准）

虽然计算着色器也是通过D3DDevice进行访问的，并能和其他的图形着色器共享内存资源，但它并不直接连接到其他的着色器阶段上面。这大概是因为ComputerShader并不直接与图形渲染功能相关吧。

Dynamic Shader Linkage（动态着色器链接）

D3D11包含的SM5（Shader Model规范）支持面向对象语言的构建方式，并支持运行时的着色器链接。

多线程（Multithreading）

随着CPU的多核化趋势渐渐普及，D3DAPI对多线程的支持势在必行。D3D11对多线程提供了这样的功能支持：

• 并发的对象创建 - 可以在多个线程中并发地进行对象（资源、着色器等）的创建。
• 在多线程中创建命令列表 - 命令列表是一个记录了图形处理命令的序列。在D3D11中，可以在多个线程中创建命令列表，然后又主渲染线程来发送这个命令列表到渲染硬件。

Tessellation（细分）

细分技术使得能够用不同的精度等级（LOD，Level of detail）来渲染一个模型。GPU可以根据所需的LOD来处理输入的模型，以得到相应负责度的实际模型。这项技术可以大大减少内存带宽对三角形数量的限制。这项技术通过两个新的着色器阶段来实现：Hull Shader（壳着色器）和Domain Shader（域着色器）。

除了上面的4项主要的特性外，D3D11还支持：

• 通过在创建Device的时候指定特性等级（feature level），D3D11可以在低于等级的硬件（即不完全支持D3D11规格的硬件）上运行。
• ShaderModel 5
• 大内存支持 支持超过4GB的资源。
• …(有待深入了解)

 

DirectX11 不但包含了新的Direct3D 11。 还引入了两个新的图形组件： Direct2D和DirectWrite。

Direct2D是一套硬件加速的、立即模式的2D图形绘制接口。（是用来取代GDI，GDI+，DirectDraw吗？） 它能高性能、高质量地绘制2D图形、位图以及文本。D2D能与D3D及GDI良好地互操作。

DirectWrite支持高质量的文本渲染，与分辨率无关的字体轮廓线绘制，全unicode文本支持及布局处理等等。

 

在D3D API 中， Device（设备）是一个核心的概念，Device是对一个图形硬件的抽象，它负责创建和销毁其他的对象，渲染图元等功能。D3D11中，Device对象主要用来管理资源，而DeviceContext对象执行渲染操作。一个对象只能被创建它的Device使用。多个Device可以通过共享资源来共享数据，但这个共享的资源也只能在创建它的Device内使用。（意思就是说多个Device都可以访问共享对象里面的数据，但处了创建Device之外，其他Device不能直接把这个资源连接到渲染管线上使用）

每个Device都由一个ID3D11Device接口来代表，可以通过D3D11CreateDevice或者D3D11CreateDeviceAndSwapChain函数来创建这个接口。每个Device都可以使用一个或多个DeviceContext，这主要是用来支持多线程操作。

D3D11CreateDevice函数的原型如下：

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

参数解析：

IDXGIAdapter *pAdapter： 显示适配器接口。表示要创建的Device与这个适配器硬件对应。一台电脑上可能安装多个显示适配器（即显卡），可以使用IDXGIFactory::EnumAdapters函数来遍历所有的适配器。传入NULL的话就表示使用默认的适配器（你的电脑上至少应该有一个显卡吧）。

D3D_DRIVER_TYPEDriverType：创建的Device的类型。可能的值有：

• D3D_DRIVER_TYPE_UNKNOWN： 未知类型，创建设备时不能使用
• D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE： 硬件设备，指使用硬件来实现D3D的功能。它使用硬件来加速D3D功能，并用软件实现硬件不支持的部分，因此能提供最好的性能。这一种设备类型通常都用一个HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象层）来代表。
• D3D_DRIVER_TYPE_REFERENCE： 参考设备，即使用软件（CPU上运行）来实现D3D的所有功能。参考设备注重功能的准确性而不保证速度。因此主要用来做功能的测试、演示与调试等。参考设备由DirectXSDK提供(D3D11Ref.dll ？)。这个设备通常叫做REF Device或Reference rasterizer（光栅器）
• D3D_DRIVER_TYPE_NULL： 空设备，即不提供D3D渲染功能的设备，它主要用来测试一些非测试的API的功能。它也是由DirectXSDK提供。
• D3D_DRIVER_TYPE_SOFTWARE：  软件渲染器，也是由软件实现D3D的所有功能。这个渲染器必须由用户自己实现，并通过一个DLL提供。
• D3D_DRIVER_TYPE_WARP： Windows Advanced Resterization Platform。 一个高性能的软件光栅器。提供特性集9.1到10.1的支持。

HMODULESoftware：软件渲染器DLL，如果不用软件渲染器的话，传入NULL

UINTFlags：创建标记，这写标记主要用来控制创建的Device中的层次，这些标记可以按位与操作。如果不特别指定的话，传入0。  D3D11_CREATE_DEVICE_FLAG 的取值有：

• D3D11_CREATE_DEVICE_SINGLETHREADED = 0x1,  设置Device为单线程使用。D3D11默认是支持多线程使用的，即在每个API的调用中都会进行锁保护。如果确定不会在多线程环境中使用，则设置该标记，则不会进行锁保护，这样可以提高性能。
• D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG = 0x2,  让Device支持调试层
• D3D11_CREATE_DEVICE_SWITCH_TO_REF = 0x4,  同时创建REF和HAL设备，这样就可以在运行时进行切换，以支持调试功能。
• D3D11_CREATE_DEVICE_PREVENT_INTERNAL_THREADING_OPTIMIZATIONS = 0x8,  阻止创建多线程（这个需要深入了解）
• D3D11_CREATE_DEVICE_BGRA_SUPPORT = 0x20, 在允许D2D与D3D互操作时设置

CONST D3D_FEATURE_LEVEL *pFeatureLevels, UINTFeatureLevels：指向一组特征集。创建函数会按顺序尝试这些特征集，并选择第一个能支持的特征集。传入NULL的话，则会依次尝试从高到低（SM5->SM2）的所有特征集。  特征集的可选项有：

• 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，传入D3D11_SDK_VERSION，这是由SDK设置的一个常数

ID3D11Device **ppDevice,D3D_FEATURE_LEVEL *pFeatureLevel,ID3D11DeviceContext**ppImmediateContext  三个返回值，返回创建的Device，立即DeviceContext及当前的特征集。

Device Context 包含了Device的环境或设置。更精确地说，DeviceContext用来设置渲染状态，产生渲染命令，并使用资源。D3D11实现了两种Context，一种是立即渲染（immediate rendering），一种是延迟渲染（deferred rendering）。它们都由ID3D11DeviceContext接口代表。每个线程只能有一个Context，一般主线程拥有立即Context，用于渲染，其他工作线程拥有延迟Context。

一个Device有且只有一个立即Context，它用来直接绘制到硬件，它能够从GPU获取数据，也可以用来立即执行（或回放）一个命令列表。立即Context可以在创建Device时获取，也可以通过ID3D11Device::GetImmediateContext（）接口获取。

延迟Context将GPU命令记录到命令列表之中。它主要用来在主线程之外记录渲染命令。创建延迟Context时将不会继承任何的立即Context的状态。延迟Context通过ID3D11Device::CreateDeferredContext（）接口创建。

ID3D11Device接口函数都是线程安全的，但ID3D11DeviceContext接口不是线程安全的，即必须只能在一个线程内进行调用。这区别于ID3D10Device接口。

 

 

D3D11 运行时是按照层次构建的，核心层提供了最基本的功能，外围层则提供了一些可选功能及辅助程序员进行开发的功能。通常来讲，外围层添加新的功能，但不改变里层的已有行为。在创建设备时核心层是必须的，外围层可以使用D3D11_CREATE_DEVICE_FLAG标记进行配置。

Core Layer： 核心层默认就被创建。它提供了图形设备驱动和API之间的简单映射。它只提供最关键性的校验，以尽量减少开销，提供最佳的性能。

Debug Layer： 调试层提供了更多的一致性检查，并提供更多新返回信息。这会导致一定的性能损失，并且需要额外的DLL来支持（D3D11SDKLayers.dll）

所以，在发布版本中只保留Core Layer，而在开发过程中可以使用Debug Layer。

 

 

 

资源为渲染管线提供数据。它可以是从外部载入的，也可以在运行时动态生成。典型的资源包括纹理数据、顶点数据(几何数据)和着色器数据。资源可以是强类型的或无类型的。也可以指定资源的读写属性。资源可以被CPU或/和GPU访问。每个渲染管线状态至多可以有128个活动的资源。

有两种方式指定资源的内存布局（即格式），一种是在创建资源时，另一种是在将资源绑定到管线上时。前一种称为有类型的资源，后一种称为无类型资源。无类型资源可以通过资源视图来指导类型并绑定到渲染管线上，一个资源可以同时拥有多个视图，并同时绑定到多个渲染管线阶段上。

资源主要分为纹理和缓存两大类。

D3D11资源系统的类图如下：

渲染管线状态根据一个视图来解析资源数据。一个视图就像一种转换，将数据解析成适合某种用途的格式。

四种视图：

• ID3D11DepthStencilView      访问一个作为深度-模板缓存的纹理资源
• ID3D11RenderTargetView         访问一个作为渲染目标的纹理资源
• ID3D11ShaderResourceView             访问一个着色器资源，比如常数缓存，纹理缓存，纹理或者采样器
• ID3D11UnorderedAccessView           质像素着色器或计算着色器中访问无序的资源。

子资源（Subresource） 是一个资源的一部分。一个Buffer资源只有一个子资源，而纹理资源根据维、Mipmap及array的不同，会有多种情况。纹理的每一个Mipmap等级，array中的每个元素都单独构成一个子资源。

Buffer是用来存放描述几何体的数据，几何体索引数据以及着色器数据。buffer资源必须是有类型的，一个buffer是由一个个元素组成的，每个元素由一到4个组件组成。

Buffer可以用来存放顶点数据，法线数据，纹理坐标，索引，以及设备状态等。 Buffer分为3种：

VertexBuffer（顶点缓存） 存放每个顶点的数据

IndexBuffer（索引缓存） 存放顶点索引数据

ConstantBuffer（常数缓存） 存放着色器常量数据，也可以存放Stream-output的输出。从概念上讲，它就像一个单组件元素的数组。常数缓存只能使用D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER绑定。常数缓存的大小必须是16bytes的整数倍，而且必须小于或等于D3D11_REQ_CONSTANT_BUFFER_ELEMENT_COUNT

Buffer使用ID3D11Device::CreateBuffer接口进行创建

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

参数解析如下：

const D3D11_BUFFER_DESC *pDesc： buffer描述结构

• UINT ByteWidth; Buffer的总大小，以byte记。
• D3D11_USAGE Usage;  Buffer的用途，即读写属性。这主要根据对buffer的访问/更新频率来确定。
• UINT BindFlags;  指定Buffer如何绑定到渲染管线上。这个值是可以是D3D11_BIND_FLAG 的值的“或”，但通常只选择一种绑定方式。
• UINT CPUAccessFlags;  Buffer的CPU访问权限，0表示CPU无法读写
• UINT MiscFlags; 其他辅助功能选项。
• UINT StructureByteStride;  当作为有结构的Buffer时，结构的大小

DXGI（DirectX Graphics Infrastructure，DirectX 图形基础架构） 提供了对图形硬件进行底层管理的功能。这些功能不涉及显卡的高级特性（比如不需要区别D3D9级别显卡和D3D11级别显卡），因此是与D3D的图形功能是分开的。 DXGI是提供了一个底层的通用框架来支持未来的硬件。DXGI最初是在D3D10中引入的。现在它支持D3D11。即DXGI和D3D可以分开进行进化，而且DXGI的进化应该比D3D慢。

DXGI的主要功能有：枚举显示硬件设备，将渲染好的帧呈现到输出设备，调整Gamma，以及全屏模式的切换等。DXGI的目的是沟通核心模式驱动和系统硬件。一个应用程序可以直接调用DXGI接口，也可以通过D3D接口间接使用DXGI的功能。

DXGI类结构图如下：

 

枚举显示适配器（Adapter）

适配器是对显示硬件或软件的抽象，它可以是一个显卡，也可以是一个软件渲染器。一台计算机可以有多个适配器。一个适配器可以有一个或多个输出终端（Monitor）。每个输出终端用一个IDXGIOutput接口来代表，适配器用IDXGIAdapter来代表。IDXGIFactory用来枚举Adapter

呈现（Presentation）

D3D的功能是渲染到帧缓存，然后DXGI将帧呈现到输出终端上。为了得到最好的性能和效果，至少需要两个缓存，一个用于D3D的绘制，一个用于DXGI的呈现。也可能有不止两个的帧。这样一组帧缓存就组成一个交换链（Swap Chain）SwapChain用IDXGISwapChain接口来表示。SwapChain有一个前缓存，一到多个后缓存。为了得到最好的效率SwapChain总是创建在显示子系统（这个显示子系统就是一个适配器）中，这个系统包括GPU，DAC（Digital to Analog Converter，数模转换器）以及内存。这个子系统通常是一个显卡，但也可能在主板上实现。SwapChain分配在显示子系统的内存中以提高呈现的速度。显示子系统负责把SwapChain 前缓存的数据呈现到输出终端上。SwapChain可以被设置使用全屏或窗口模式绘制，这样就不需要知道显示终端是全屏幕还是一个窗口。全屏模式的SwapChain能切换显示器的分辨率以优化性能。

创建SwapChain

SwapChain包含一组Buffer，它们都有相同的尺寸和格式。SwapChain由IDXGIFactory::CreateSwapChain 函数创建。

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

参数解析如下：

IUnknown *pDevice： D3D Device，SwapChain在创建时就必须绑定到Device。这个Device将绘制到SwapChain的Buffer中。

DXGI_SWAP_CHAIN_DESC *pDesc： SwapChain描述结构。字段有：

• DXGI_MODE_DESC BufferDesc;  设置显示模式，比如分辨率，刷新率，缓存格式，扫描线模式，缩放模式。默认选项都是0，所以只需要改变你想改变的值。
• DXGI_SAMPLE_DESC SampleDesc;  设置多重采样（multi-sampling）参数包括每像素的采样数量及图形质量等级。默认不进行多重采样，则两个数值分别为1和0
• DXGI_USAGE BufferUsage; 设置表面的用法及CPU的访问选项。后缓存可以作为着色器的输入或者渲染目标。
• UINT BufferCount; 缓存的数量，包括前缓存，
• HWND OutputWindow; 显示窗口，不能为空
• BOOL Windowed; 是否窗口模式
• DXGI_SWAP_EFFECT SwapEffect;  设置当表面呈现之后对缓存的处理方式。可选方式为：DXGI_SWAP_EFFECT_DISCARD = 0, 丢弃缓存，即缓存内容将不再被使用。应用程序只能操作索引为0的缓存。 DXGI_SWAP_EFFECT_SEQUENTIAL = 1, 缓存将不会被丢弃，按顺序使用缓存链中的缓存，不能在多重采样时使用。
• UINT Flags; 其他可选项。DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_NONPREROTATED = 1, 关闭图像自动旋转DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_ALLOW_MODE_SWITCH = 2, 允许切换显示模式。DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_GDI_COMPATIBLE = 4, 允许使用GDI来访问缓存。

D3D11 的图形渲染管线是在D3D10 的基础上进行扩展而得到的。D3D10的功能都得到了保留，并添加了一些新的特性。

两个主要的新特性就是ComputerShader和Tessellation技术。注意ComputerShader并不是对图形渲染的功能的扩展，所以没有在渲染管线上体现出来。

DirectX Effect（特效？）是一组管线状态的集合。如何组织管线状态，也就决定了会得到什么样的渲染结果，所以Effect这个名字是名副其实的。Effect中的表达式是用HLSL语言写成的，再加上一些Effect特定的语法。经过编译以后，EffectAPI就可以加载Effect并控制渲染硬件进行渲染。Effect不止可以控制可编程阶段的着色器，也可以控制不可编程阶段的设置。

Effect可以管理的状态包括：着色器状态（shader state），在着色器中使用的纹理及采样状态（Texture and Sampler state），非可编程管线阶段状态。effect代码是纯文本形式的，通常以fx为扩展名。

一个Effect文件中可以包含多个渲染效果，每个渲染效果是一组完整的状态集合，这组集合称为一个Technique。通常的做法是把适合不同硬件平台的效果放到不同的Technique中。一组Technique可以组织到一个group中（使用fxgroup）。通常可以这样组织：一个Effect文件包含多个Group，每个Group表示一种材质（即渲染效果），每个Group包含多个Technique,用来对应不同的硬件等级（配置），每个Technique都可以由一到多个pass组成。

Effect系统API是作为D3DX库的一部分提供的，即它不是D3D核心API。它只是作为一个辅助工具提供，在实际开发中完全可以不用Effect来组织你的Material。

Effect系统API的意义都很直接，与Effect文件的内容也几乎是一一对应的，只是为应用程序提供了一个接口使用Effect文件以及与Effect交换数据。

奇怪的是，D3D11的经典Sample Basic HLSL 也没有使用ID3DX11Effect接口。Effect看起来很强大，但实际上还是不够灵活啊。

D3D11支持在多线程中进行对象的创建和渲染。多线程的主要目的是调高性能。

D3D11的多线程支持分为两个部分：

1 多线程式的对象创建

2 立即渲染与延迟渲染

 

 

 

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