Direct3D基础概念和模型整理

 参考整理自文章：

http://zh.wikipedia.org/zh/Direct3D

http://blog.csdn.net/weili_2007/article/details/1907066

 http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/bb219679(v=vs.85).aspx#Direct3D_System_Integration

概念主要包括IDirect3D, Adapter, Device, swap chain(surface后台缓存、前台缓存、深度和模板缓存)，资源(资源类型_D3DRESOURCETYPE、格式_D3DFORMAT、资源存放的内存区域Pool、资源的使用标识Usage)。模型就是这些概念形成的Direct3D对象接口模型。

一、图形模型基础

1）显卡物理组成：

(1)显卡的BIOS用于驱动显卡.

(2)GPU,

(3)显存RAM,

(4)RAMDAC数模转换器

(5)接口PCI/AGP/TV输出。

2）图形数据传输模型：

      显卡BIOS初始化，数据从磁盘读取或来自程序内部(CPU&RAM) ->(1)主板PCI/AGP高级图形端口输入->(2)DeviceGPU复杂的数学和几何运算的图形渲染管道->(3)显存RAM存放GPU运算需要的数据和完成后的信息(像素+位置)显存低端1GB/2GB高端4GB/6GB->(4)VGA(CRT)/PCIe/ViVo等端口输出Monitor监视器。

Direct3D图形管道渲染过程：

Direct3D 10 API定义了vertices（顶点）, textures（纹理）, buffers（缓冲区），以及state群组转换到屏幕上的流程。这样的流程被描述成rendering pipeline（渲染流水线），其中有着許多不同的阶段. Direct3D 10 渲染流水线的各阶段包括：

1. 输入组装（Input Assembler）：程序从美术磁盘文件CPU/系统RAM取得顶点，并将程序提供的数据装进流水线。
2. 顶点著色引擎（Vertex Shader）: 每次处理一个顶点，比如变换、贴图、光照。
3. 几何著色器（Geometry Shader）: Shader Model 4.0引进了几何著色器，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。
4. 流输出（Stream Output）：将Vertex Shader和Pixel Shader处理完成的数据输出给使用者。
5. 光栅化（Rasterizer）: 把算完的顶点转成像素，再将像素（pixels）输出给pixel shader. 这里亦可执行其他工作，像是切割非视锥区域的像素，或者对顶点进行插值以得到像素数据。
6. 像素著色引擎（Pixel Shader）：決定最后要往渲染目标（render targe）写入的像素颜色，同时也可以计算一个准备写到深度缓冲区的深度值。
7. 输出混合（Output Merger）：接收來自于pixel shader的slice，进行传统的Stencil测试和Depth测试，整合各种不同的输出资料（颜色和位置），用以建立最后之结果。

    CPU和GPU，内存和显存的分工，进而提高计算和内存使用效率，优化程序的性能：    

    在固定渲染管道中，编程的图形文件读取，硬件设备性能的检测，由显卡适配器运行类型和后台缓存表面参数等指定的设备的生成，设备创建的各种资源贴图动画光照，设备状态的设置，设备的转换操作设置等，会在CPU代码中进行非渲染中的计算和对Dircet3D/OPENGL的渲染状态设置。

    实际在CPU提交渲染后，还需要GPU真正对裁剪，背面消隐，变换，光照等进行计算，纹理像素深度测试，模板测试，像素融合，光栅化；显存进行存储,并由显卡进行渲染出来。

    所以CPU层面的资源量，运算量也要控制好；GPU各种计算的开启控制，尽量让显存的命中率高不需要频繁请求CPU, 这样才能有比较好的程序图形计算性能和内存开销。

注:Shader编程把更多的计算交付给的GPU处理，可以处理计算量比较大的效果实现，且程序也获得比较好的性能。

3)渲染管道中的坐标转换：

局部坐标系->世界坐标系->观察坐标系

->背面消隐->光照->裁剪

->投影->视口坐标系->光栅化。

二、IDirect3D统一接口

IDirect3D对象是支持Direct3D图形设备驱动的统一接口，可以用来得到系统的adapter（显卡)的硬件及软件特性。

IDirect3D提供了一个图形硬件模型。在这个模型里，一个Adapter(它被一个无符号整数所标识)可以创建一个或多个Device, 一个adapter连接一个或多个monitor。

注：一个Apdater并不完全与一张显卡等同，近些年，有些显卡上可以支持两个apdater，称作"dual head" display,IDirect3D9认为他们是不同的apdaters。

 

三、Adapter显卡适配器标识号和枚举Adapter的功能：

Adapter用无符号整数的标识号表示，是显卡适配器(AGP,PCI接口,GPU,显存，Monitor)的软件抽象对象，通过枚举adapter可以获取指定类型的Device对象(一个adapter可以创建多个Device),及获取Monitor的特征。

每一个monitor都是由一个adapter驱动的，它能够支持很多种显示模式和刷新频率，用Adapter ID(需要IDirct3D对象)获取用户的硬件特性支持情况的判断,用于创建特定的Device, 例如：是否支持render target 格式，resource格式以及multisampling。

IDirect3D对象枚举Adapter的功能：

GetAdapterCount()
GetAdapterDisplayMode
GetAdapterIdentifier //得到适配器描述
CheckDeviceType //判断指定适配器上的设备是否支持硬件加速
GetDeviceCaps //指定设备的性能，主要判断是否支持硬件顶点处理(T&L)
GetAdapterModeCount //得到适配器上指定缓冲格式所有可用的显示模式
EnumAdapterModes //枚举所有显示模式
CheckDeviceFormat
CheckDeviceMultiSampleType

创建设备注意：

Direct3D 设备两种不同的操作模式：windowed 和exclusive。

在windowed下，图形渲染在桌面窗口的客户端区域进行。Direct3D 将跟GDI一起工作，使用::stretchBlt方法在windows的客户端区域present一个back buffer。

在Exclusive模式下，Direct3D直接调用显卡驱动，而并不通过GDI。当一个exclusive模式的应用程序运行的时候，其他应用程序都不可以再访问显卡了。

使用：

1)CheckDeviceFormat :

每个adapter有多种显示模式。每个显示模式包含screen dimension，refresh rate 和像素格式，Direct3D使用结构体D3DDISPLAYMODE定义。

back buffer surface格式必须与显示模式格式兼容, 使用CheckDeviceFormat 发现兼容的格式。一般情况下，back buffer格式与显示格式有着相同的像素深度和颜色layout。

一个XRGB显示格式能与同样深度的ARGB back buffer一起使用。

 

2)GetDeviceCaps:

 找到了合适的设备，我们就可以通过GetDeviceCaps来检查设备的渲染功能。

 

3)CheckDeviceType: 

告诉我们显示格式和back buffer格式对一个指定类型的设备是否合理。

 

4)CheckDeviceFormat: 

接下来，我们可以使用CheckDeviceFormat更新所有的资源（back buffer surfaces, depth/stencilsurfaces,texture surfaces和volume texture 格式）。

再接下来，如果应用程序需要做深度可视性检测，它应该使用CheckDepthStencilMatch发现一个深度buffer。

 

最后，需要使用multisampling应用程序需要通过CheckDeviceMultisampling来检测。

注意：CheckDeviceType 用于检测Adapter允许的颜色Format与与它的某个设备支持的backbuffer颜色格式是否兼容。

CheckDeviceFormat用于检测是否某个adapter的设备支持某种资源格式。

 

5)GetAdapterIdentifier:

用于识别某个品牌的adapter。GetAdapterIdentifier返回一个D3DADAPTER_IDENTIFIER9的结构体。

 Driver和Description用于图形界面对设备的选择。DriverVersion 指示了Direct3D的版本号码。

VendorId, DeviceId,SubSysId,Revision 用来区分不同的硬件芯片。WHQLLEVEL就是这个驱动的WHQL(Windows hardware quality Laboratory) 信息。

这个值如果是0表示它没有过这个认证，如果是1表示过了，但是没有日期信息。决定WHQL LEVEL是一个很费时的操作，通常一般都是避免做这个操作。

将GetAdapterIdentifier的flag参数为0，就可以避免这个操作。

 

6)CreateDevice:

有些显卡可以在单张卡上提供多个视频output。D3DCREATE_ADAPTERGROUP_DEVICE 允许应用程序通过单个设备接口驱动两个video output，允许资源在两个output上共享。D3DCREATE_DISABLE_DRIVER_MANAGEMENT和D3DCREATE_DISABLE_DRIVER_MANAGEMENT_EXdisable设备资源管理，强迫所有的资源管理发生在运行时。使用ex 形式当创建资源内存不足的时候会返回错误，non-ex形式将不会返回错误。

 

     Direct3D使用单精度浮点计算。如果一个应用程序需要FPU更高的精度，有两种选择。或者应用程序保证FPU运行在单精度模式下，或者应用程序在执行浮点运算之前预先保存应用程序的FPU精度，当返回时再恢复FPU。

 

   pure device flag 让是被使用最少的内部状态跟踪，可以提高应用程序的performance。

 

   Presentation参数描述了设备显示在monitor上的渲染参数。presentation的每个成员描述了设备的presentation的行为，所以在这个函数返回的时候有可能会修改里面的值，所以presentation必须是可写的。

 D3DPRESENTFLAG_DEVICECLIP 限制了window模式下客户端区域present操作的结构，它在WindowXP和Windows 2000下支持。D3DPRESENTFLG_VIDEO flag暗示了back buffer包含有video。D3DPRESENTFLAG_DISCARD_DEPTHSTENCIL 在调用present后discard depth/stencil surface里面的内容。这样就使depth/stencil surface是一个可写的surface。如果depth/stencil surface的格式是D3DFMT_D16_LOCKABLE 或者 D3DFMT_D32_LOCKABLE设置这个标记将会返回一个错误。

 

   在window模式下，hDeviceWindow指定了渲染窗口的句柄。如果hDeviceWindow为null,则focus窗口将是被渲染的窗口。FullScreen_RefreshRateInHz必须是0。

 

   在exclusive模式下，hDeviceWindow指定了应用程序使用的top-level窗口。如果系统里面有多个设备，只有一个设备能使用hDeviceWindow的focus_window。

BackBufferWidth, BackBufferHeight, BackBufferFormat必须等于这个适配器的D3DDISPLAYMODE的相关成员。 

FullScreen_PresentationInterval指定了presentation rate和屏幕refresh rate期望的关系。

FullScreen_RefreshRateInHz是一个很里的refresh rate 或者是D3DPRESENT_RATE_DEFUALT默认值。

D3DPRESENT_RATE_DEFUALT 指示exclusive 模式下runtime选择一个合适的refresh rate， window模式下使用当前的refresh rate。

 

7)GetAdapterMonitor:

 

对于多个monitor的系统来说，虚拟桌面由一个包含了所有参与到windows桌面的adapters的有边界的矩形组成。

其他没有参与进来的adapters也可以附着在这个系统上面。桌面上所有的adapters至少共享一个像素边界。

 

应用程序可能想要某个monitor的全屏的显示，GetAdapterMonitor返回一个Adapter的HMonitor句柄。

一旦你有这个句柄，你就可以决定虚拟桌面的哪部分被这个moniter占用。

 

8)NumberOfAdaptersInGroup:

 

多个adapter能从单张卡里面提供多个不同的video output。当使用D3DCREATE_ADAPTERGROUP_DEVICE创建设备时，需要提供一组D3DPRESENT_PARAMETERS。

这个数组的数目不能少于D3DCAPS的NumberOfAdaptersInGroup成员。只有一个D3DPRESENT_PARAMETERS 能使用focus窗口作为它的设备窗口，

剩下的必须使用他们自己的top-level窗口作为设备窗口。无论创建多少个swap chain，只有一个depth/stencil面被创建。

 

四、Device设备对象

        Device是通过IDirct3D对象，Adapter的类型D3DDEVTYPE，表面特性D3DPRESENT_PARAMETERS指定的设备对象(比Adapter具体)，Adapter偏硬件，Device更加软件具体化的"实际设备对象"。Direct3D提供了设备枚举和创建的方法。所有的其他对象就可以由设备来创建。

       Device创建各种资源(CPU/RAM/AGP RAM/ 显存)，对资源的各种状态设置和操作(变换\光照\光栅化)，新版的D3D11中用Content负责资源的操作。
DEVICE则是D3D的核心，它包装了整个图形流水管线，包括变换、光照和光栅化（着色），根据D3D版本不同，流水线也有区别，比如最新的D3D10就包含了新的GS几何处理。因此Device创建和管理swap chains , surfaces和resources，执行转换各种设置，且负责渲染数据。

Device至少包括一个swap chain和多个用于渲染的resources资源。

HAL(hardware abstraction layer)设备使用了图形渲染的硬件加速，所以是速度最快的设备类型。

reference设备只有在SDK的安装版本里面才有，它包括了对整个图形的pipeline进行软件实现。这个设备虽然速度很慢，但是它易于图形应用程序的调试。

null referece 设备将什么都不做，所有的渲染只是一个黑屏。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。

可插拔的软件设备通过RegisterDevice设备方法提供，Direct3D 9.0c还没有可插拔的软件设备。

Architecturally, Direct3D devices contain a transformation module, a lighting module, and a rasterizing module, as the following diagram shows.

 

五、Swap chain交换链和各种surface表面缓存

     swap chain和surface也是资源，会在PRESENT_PRAMETERS指定，在CreateDevice时候和Device一起被创建。也可以创建多个后台缓存，形成交换链，交换链会在Present时候按照队列挪动的方式进行轮换。
     一个swap chain 包含了一个和多个back buffer surface, surface也是一种资源，它包含一个矩形集合的像素数据，如color, alpha, depth/stencil以及纹理信息。

所有的back buffer都是合理的render target，但是并不是所有render target都是back buffer。我们也可以让一个纹理surface作为render target，来实现动态的渲染效果。

 

拓展：

DX11：

1.device 作为 “实际对象”， 管理存储各种数据（当然也负责与 hardwar的沟通）， 和硬件交互， 用来创建资源，操作资源。

2.context 更多的是 “提供操作的接口”，device将很多数据操作委托给了context接口，通常用来操作各种缓存数据，从而告知 device 进行如何绘图 how to draw。

3.swapchain 实现了一个或多个的 surface 用来存储 输出到输出设备output device 之前的各种 “渲染数据”， 做得数据后台加速，大部分 函数都是 与 buffer的状态相关。

六、RUNTIME（Device)

Device内部由RUNTIME运行时管理调度Device的各种操作，有重要的命令结构Command Buffer(应该在系统RAM中)，实现命名的分发。

七、Driver(GPU)

RUNTIME需要通过Adapter(GPU)的Driver来实现，Driver分为HAL Driver和REF Driver，Driver是硬件显卡或硬件显卡预定义的驱动和图形操作指令。
翻译RUNTIME过来的各种Device的命令，进行物理的执行操作，当然Driver也有一个命令结构Driver Buffer(应该在显存中)。

 

八、Resource各种资源

resources资源存放在设备硬件里或者其附近，用于提供图形渲染所需要的特定数据。

Direct3D提供的资源包括场景几何体（顶点和索引）以及外观数据（图片，纹理和volumes）。

 

每种资源都有Type,Pool, Format和Usage属性。这些属性都是在资源创建的时候一次性指定。

1)Type：

Type属性指定了资源的类型，定义在D3DRESOURCETYPE枚举类型里面。

typedef enum _D3DRESOURCETYPE

 

{

 

      D3DRTYPE_SURFACE = 1,

 

      D3DRTYPE_VOLUME = 2,

 

      D3DRTYPE_TEXTURE = 3,

 

      D3DRTYPE_VOLUMETEXTURE = 4,

 

      D3DRTYPE_CUBETEXTURE = 5,

 

      D3DRTYPE_VERTEXBUFFER=　６，

 

      D3DRTYPE_INDEXBUFFER = 7　　　

 

}

 

2)Pool：

Pool属性描述了Direct3D怎么管理它，定义在D3DPOOL枚举类型里面。

当一个设备lost的时候，它的默认池里面的资源都会lost。

typedef enum _D3DPOOL

 

{

 

D3DPOOL_DEFAULT = 0,// 资源默认是在设备内存里面的。

 

D3DPOOL_MANAGED = 1,// managed 池里面资源是在系统内存里面，当需要使用他的时候它将copy到设备内存里面。

 

D3DPOOL_SYSTEMMEM=２，// 系统内存池的资源只存在于系统内存里面,CPU RAM。

 

D3DPOOL_SCRATCH = 3 // scratch池里面的资源只存在与系统内存里面，并且它不受设备格式限制。

 

}D3DPOOL;

 

注意：

应用程序可用的内存与当前使用的diplay mode 有关。如果设备申请的video mode与桌面显示的video mode不一致时，

创建一个exclusive模式的设备可能引起不一致显示模式的变化。为了避免在应用程序启动时这种失常的效果，应用程序最好能在安装的时候执行内存测试，然后保存这个结果。

这个操作是安全的，因为在某种特殊的显示模式可用内存量不会改变，除非硬件被更换。

 

3)Format:

格式属性描述了资源在内存里面的layout，它定义在D3DFORMAT枚举类型里面。所有的资源都有一种格式，但是大部分格式枚举都是像素数据的格式。

typedef enum _D3DFORMAT

 

{

 

D3DFMT_UNKNOWN = 0,

 

D3DFMT_INDEX16 = 101,

 

D3DFMT_INDEX32 = 102,

 

D3DFMT_VERTEXDATA = 100,

 

D3DFMT_A4L4 = 52,

 

D3DFMT_A8 = 28,

...

}

 

 An,Ln,Bn,Pn,Rn,Gn和Bn都是无符号的，Un,Vn,Wn,Qn是有符号的。Dn和Sn设备指定的depth/stencil surface数据。

 

 MAKEFOURCC宏用来生成一个四字符码。附加的vendor指定的格式可以通过MAKEFOURCC定义。DXTn格式是压缩纹理格式。

D3DCOLOR的像素格式是D3DFMT_A8R8G8B8，然而PALETTEENTRY和COLORREF 却让R和G互换。

 

4)Usage:

标记怎么样去使用资源，挪动，压缩，纹理方式，模板方式；怎么样使用会根据不同的资源类型，不同的内存存放，会有关联，所以标记会仅限某种资源类型或某种内存类型下使用。

包括D3DUSAGE_AUTOGENMIPMAP,D3DUSAGE_DEPTHSTENCIL,

D3DUSAGE_DMAP,D3DUSAGE_DONOTCLIP,D3DUSAGE_DYNAMIC,D3DUSAGE_NPATCHES,

D3DUSAGE_POINTS,D3DUSAGE_RENDERTARGET，D3DUSAGE_RTPATCHES

,D3DUSAGE_SOFTWAREPROCESSING,D3DUSAGE_WRITEONLY。