Direct3D

由微軟公司所制定的3D規格界面，與Windows 95和Windows NT作業系統兼容性好，可繞過圖形顯示接口（GDI）直接進行支持該API的各種硬體的底層操作，大大提高了遊戲的運行速度。

基本介紹

• 外文名：Direct3D
• 本質：3D規格界面
• 基礎：微軟的通用對象模式
• 開發：微軟
• 套用：多媒體、娛樂、即時3D動畫
• 平台：Windows作業系統

簡介

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，微軟公司擁有該庫著作權，它所有的語法定義包含在微軟提供的程式開發組件的幫助檔案、原始碼中。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接口形式提供的，所以較為複雜，穩定性差，另外，目前只在Windows平台上可用。★

Direct3D 界面

Direct3D（簡稱：D3D）是微軟公司在Microsoft Windows作業系統上所開發的一套3D繪圖編程接口，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接口之一。

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：應用程式請求一個reference設備。
• null reference：當系統沒有裝SDK，但是應用程式請求一個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，每個旗標占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。

Pipeline

Graphics pipeline process

Direct3D 10 API定義了vertices, textures, buffers，以及state組群轉換到螢幕上的流程。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:

1. Input Assembler：從程式里讀取vertex data並將程式提供的vertex buffer倒進pipeline.
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：將Vertex Shader和Pixel Shader處理完成的數據輸出給用戶。
5. 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.
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：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。

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所占據，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函式相提並論。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引進了可程式管道（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式而設計。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

Direct3D 10相對Direct3D 9大量代碼重新編寫，Direct3D 10著眼在高級繪圖程式，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：

• 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

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

Direct3D 11架構於Direct3D 10的基礎之上，但相較於Direct3D 10隻支持Vista作業系統, 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）
• 多執行緒渲染（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還是單執行緒，檔案訪問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，能夠同時支持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圖形程式，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。可將顯示卡頻寬的占用率降低大約50%。DirectX 11可向下兼容於DirectX 10的顯示卡，同時也能夠在Windows 7與Vista上運行。

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 顯示器驅動程式模型 (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。

示例

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));

注釋

1. ^Direct3D Resources -Memory pool.
2. ^Direct3D 9.0 pipeline diagram.
3. ^Direct3D 10 pipeline stages.
4. ^Direct3D 7 introduces DirectDraw Surface (.dds) format.
5. ^HLSL in Direct3D 9.0.
6. ^Microsoft Presents DirectX 10.1 Details at SIGGRAPH. 2007-08-07[2007-08-27].
7. ^DirectX SDK: Direct3D 10.1 Features.

參見

• WinG
• OpenGL
• HLSL
• WDDM

外部連結

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

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相關事件

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編程接口合併並改名為DirectX Graphics。