Direct3D

  「D3D」重新導向至此。關於一種被簡稱為「D3D」的電力機車，請見「和諧3D型電力機車」。

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

抽象層

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定義了裝置類型。

• HAL（hardware abstraction layer）：使硬體加速。
• reference：應用程式請求一個reference裝置。
• null reference：當系統沒有裝SDK，但是應用程式請求一個reference裝置的時候，它就返回一個null reference。
• 可插拔的軟體（Pluggable software）；裝置通過RegisterDevice裝置方法提供。

Device

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。彩現目標（render target）也是back buffer surface。back buffer是屬於彩現（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資料，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），或一個彩現目標（render target）。
• Usage：資源的用途，如紋理（texture）或彩現目標，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

Graphics pipeline process

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（彩現管線），其中有著許多不同的階段. Direct3D 10 彩現管線的各階段包括： are:

1. 輸入組裝（Input Assembler）：從程式裡讀取頂點，並將程式提供的資料裝進管線。
2. 頂點著色引擎（Vertex Shader）: 每次處理一個頂點，比如變換、貼圖、光照。
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. 流輸出（Stream Output）：將Vertex Shader和Pixel Shader處理完成的資料輸出給使用者。
5. 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資料。
6. 像素著色引擎（Pixel Shader）：決定最後要往彩現目標（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。
7. 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專案的開發。

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引進了可程式化管道（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式而設計。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：

• 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規定幾個更多圖像品質標準為圖表供營商，給予開發商對圖像品質（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）
• 多執行緒彩現（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享同一個執行緒，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還支援Intel的支援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，支援DX11.0、DX10.1/10.0、DX9.3/9.2/9.1等。

Windows 7 Desktop Windows Manager將會支援Direct3D 10.1 API。可將顯示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 顯示器驅動程式模型 (WDDM) 之上，並引入新的硬體模式、繪圖管線和彩現特性，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來彩現桌面。

範例

用Direct3D 9畫三角形：

 // 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：

 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));

參見

• Wing
• OpenGL
• HLSL
• WDDM

外部連結

• DirectX website
• DirectX 10: The Future of PC Gaming（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Technical article discussing the new features of DirectX 10 and their impact on computer games