Direct3D

Direct 3D是基於微軟的通用對象模式COM（Common Object Mode）的3D圖形API。它是由微軟（Microsoft）一手樹立的3D API規範，微軟公司擁有該庫版權，它所有的語法定義包含在微軟提供的程序開發組件的幫助文件、源代碼中。Direct3D是微軟公司DirectX SDK集成開發包中的重要部分，適合多媒體、娛樂、即時3D動畫等廣泛和實用的3D圖形計算。自1996年發布以來，Direct3D以其良好的硬體兼容性和友好的編程方式很快得到了廣泛的認可，現在幾乎所有的具有3D圖形加速的主流顯示卡都對Direct3D提供良好的支持。但它也有缺陷，由於是以COM介面形式提供的，所以較為複雜，穩定性差，另外，目前只在Windows平台上可用。★

Direct3D（簡稱：D3D）是微軟公司在Microsoft Windows操作系統上所開發的一套3D繪圖編程介面，是DirectX的一部分，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。

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。

Device

每一個設備至少要有一個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：數據的格式，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：資源所分配的內部存儲器空間類型。

Graphics pipeline process

Direct3D 10 API定義了vertices, textures, buffers，以及state組群轉換到屏幕上的流程。這樣的流程被描述成rendering pipeline有著許多不同的stages. The different stages of the Direct3D 10 pipelineare:

Input Assembler：從程序里讀取vertex data並將程序提供的vertex buffer倒進pipeline.

頂點著色引擎（Vertex Shader）: Performs operations on a single vertex at a time，像是transformations, skinning，或lighting.

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。

Stream Output：將Vertex Shader和Pixel Shader處理完成的數據輸出給用戶。

Rasterizer: Converts primitives into pixels，再將像素（pixels）輸出給pixel shader. The Rasterizer亦可運行其他工作，像是切割非視覺性的像素，or interpolating vertex data into per-pixel data.

像素著色引擎（Pixel Shader）：決定最後的像素顏色（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：接收來自於pixel shader的slice，進行傳統的Stencil測試和Depth測試，整並各種不同的輸出數據，用以創建最後之結果。

1.

Input Assembler

2.

頂點著色引擎（Vertex Shader）: Performs operations on a single vertex at a time，像是transformations, skinning，或lighting.

3.

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。

4.

Stream Output

5.

Rasterizer

6.

像素著色引擎（Pixel Shader）：決定最後的像素顏色（pixel colour）to be written to the render target and can also calculate a depth value to be written to the depth buffer.

7.

Output Merger

Direct3D有兩種display modes:

• 全屏模式（Fullscreen mode）:全屏是指畫面全部被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屏幕上。

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被發布。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，但功能陽春，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的支持，不久微軟又推出支持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），並支持.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支持處理頂點的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中的著色器是用低級著色器語言（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代碼的效率，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。只有通過WDDM才能在Vista上使用Direct3D。

Direct3D 10相對Direct3D 9大量代碼重新編寫，Direct3D 10著眼在高級繪圖程序，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，提供更高的可編程化及資源運用，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呈現多任務（multitasking）

Direct3D 10.1是Direct3D 10.0的小型的更新，2007年8月微軟發布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頻API。

Direct3D 11架構於Direct3D 10的基礎之上，但相較於Direct3D 10隻支持Vista操作系統, Direct3D 11更可以支持Windows 7。Direct3D 11新增以下的功能：

• 鑲嵌（Tessellation, 即曲面細分）

• 多線程渲染（Multithread Render）

• 計算著色器（Compute Shader）：支持GPGPU，提供新版HLSL語言，與nVidia的CUDA或OpenCL功能類似。

其他還有面向對象化的Shader Model 5等功能。之前DirectX 10還是單線程，文件訪問與繪圖指令共用同一個線程，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，能夠同時支持ATI以及Nvidia的顯卡，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，支持DX11.0、DX10.1/10.0、DX9.3/9.2/9.1等。

Windows 7Desktop 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可向下兼容於DirectX 10的顯卡，同時也能夠在Windows 7與Vista上運行。

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。

用Direct3D 9畫三角形：

// 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畫三角形：

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));

^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.

1.

^

2.

^

3.

^

4.

^

5.

^

6.

^

7.

^

• WinG

• OpenGL

• HLSL

• WDDM

• DirectX website

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

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。