Direct3D

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

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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。
- 可插拔的軟體（Pluggable software）；設備通過RegisterDevice設備方法提供。

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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：資源所分配的內部記憶體空間類型。

## 管道

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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： are:

- 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。

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，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：

- 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。XAudio 2 將取代DirectSound，成為最新的跨平台音訊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）
- 計算著色器（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 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：

```cpp
 // 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：

```cpp
 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));
```

## 外部連結

- DirectX website
- DirectX 10: The Future of PC Gaming Technical article discussing the new features of DirectX 10 and their impact on computer games