Direct3Dに水を引きます。 パート1.グラフィックパイプラインアーキテクチャとAPI

いくつかの部分に分かれたこの記事では、Direct3Dの最新バージョン（10-11）のアーキテクチャの概要を説明し、このAPIを使用してこのようなサンゴ礁のシーンを描画する方法も示します。美しく説得力のある水：







まず、Direct3Dアーキテクチャについて説明します。



Direct3D APIは、最新のビデオカードのアーキテクチャを直接反映したものであり、次の形式のグラフィックパイプラインをカプセル化します。







図では、完全にプログラム可能なコンベアのステージは丸い長方形で示され、構成可能なステージは通常の長方形で示されています。



次に、各段階を個別に説明します。



入力アセンブラー（IAと省略） -システムメモリにあるバッファーから頂点データを受け取り、パイプラインの後続のステージで使用されるプリミティブを収集します。 また、IAは、頂点番号など、D3Dランタイムによって生成されたいくつかのメタデータを頂点に付加します。



頂点シェーダー（頂点シェーダー、VS）は、必須の完全にプログラム可能なパイプラインステージです。 ご想像のとおり、各頂点（英語の頂点 ）に対して起動され、入力アセンブラーから入力データを受け取ります。 頂点のさまざまな変換、ある座標系から別の座標系への座標の変換、法線、テクスチャ座標、光の計算などの生成に使用されます。 頂点シェーダーからのデータは、ラスタライザー、またはストリーム出力（パイプラインのこのステージがインストールされているが、ジオメトリシェーダーがインストールされていない場合）、ジオメトリシェーダー、またはサーフェスシェーダーに直接送信されます。



ハルシェーダー（サーフェスシェーダー、HS）、ドメインシェーダー（ドメインシェーダー、DS）およびテッセレーター（テッセレーター）は、シェーダーモデル5.0（およびそれぞれD3D11）に追加され、テッセレーションプロセスで使用される（プリミティブをより小さいものに分割する）画像の詳細を増やす）。 コンベアのこれらのステージはオプションであり、私のシーンでは使用されないため、詳細に説明しません。 希望する人は、たとえばMSDNでそれらについて読むことができます。



ジオメトリシェーダー（ジオメトリシェーダー、GS） -パイプラインの前のステージで処理された頂点から組み立てられたプリミティブ（ポイント、ライン、または三角形）を処理します。 ジオメトリシェーダーは、その場で新しいプリミティブを生成できます（つまり、頂点シェーダーの場合のように、エキゾーストが1対1である必要はありません）。 それらは、シャドウ（シャドウボリューム）、スプライト（パーティクルシステムなど）、反射（キューブマップでのシングルパスレンダリングなど）などのジオメトリを生成するために使用されます。 テッセレーションにも使用できますが、これは推奨されません。 ジオメトリシェーダーからのデータは、ストリーム出力またはラスタライザーに送信されます。



ストリーム出力（SO） -パイプラインのオプションのステージで、パイプラインによって処理された頂点をシステムメモリにダウンロードするために使用されます（SO排気はCPUによって読み取られるか、次の開始時にパイプラインによって使用されます）。 ジオメトリシェーダーからデータを受け取るか、データがない場合は頂点シェーダーまたはドメインシェーダーからデータを受け取ります。



ラスタライザ（ラスタライザ、RS） -グラフィックパイプラインの「中心」。 名前が示すように、このステージの目的は、プリミティブをラスタライズすることです。つまり、プリミティブをピクセルに分割します（ただし、「ピクセル」という名前は完全に正しいわけではありません。ピクセルとは、通常、フレームバッファーに直接配置されることを意味します。つまり、 、「フラグメント」がより正確になります）。 ラスタライザは、パイプラインの前のステージから頂点に関するベクトル情報を受け取り、それをラスタに変換し、スコープ外のプリミティブを切り取り、頂点に関連付けられた値（テクスチャ座標など）を補間し、その位置を2次元表示領域（英語）に投影しますビューポート ）。 ラスタライザーからのデータは、ピクセルシェーダー（インストールされている場合）に送られます。



ピクセルシェーダー（ピクセルシェーダー、PS） -ラスタライザーから受け取った画像の断片を処理します。 さまざまなグラフィックエフェクトを実装するために使用され、出力時にOutput Mergerステージに出力され、フラグメントの色と、オプションで深度値（どのフラグメントがカメラに近いかを判断するために使用される値）を提供します。



Output Merger（OM）は、グラフィックスパイプラインの最終段階です。 ピクセルシェーダーから受け取った各フラグメントに対して、深度テストとステンシルテストを実行し、フラグメントがフレームバッファーに移動してオンの場合に色を混合する必要があるかどうかを判断します。



次に、API自体について説明します。



Direct3D APIは、軽量のCOM（ Microsoft Component Object Model ）に基づいています。 非常に軽量であるため、その中の「本格的な」COMからはインターフェースの概念のみが残ります。



COMインターフェースの概念に精通していない人向け-小さな叙情的な余談。



COMインターフェイスの概念は、.NETからのインターフェイスの概念に本質的に近いです（実際、.NETはCOMの開発であるため）。 コアは、メソッドのみを持ち、16バイトの識別子（ GUID ）が割り当てられた抽象クラスです。 物理的には、インターフェイスは関数のコレクション、つまり、関数へのポインタを持つ配列へのポインタ（C互換のABI、通常はstdcall呼び出し規約）であり、最初の引数としてインターフェイスへのポインタを持ちます。 各インターフェイスの背後には、それを実装するオブジェクトがあり、各オブジェクトはいくつかの異なるタイプのインターフェイスを実装できます。 マイクロソフトは、インターフェイスを実装するオブジェクトに連絡する唯一の方法は、そのインターフェイスへのポインタを介して、つまりそのメソッドを呼び出すことだと仮定しています。



インターフェイスは相互に継承でき、Direct3Dのインターフェイスを含むほとんどのCOMインターフェイスは、特別なインターフェイス-IUnknownから継承されます。IUnknownは 、参照カウントを通じてインターフェイスを実装し、オブジェクトからさまざまなタイプのインターフェイスへのポインタを受け取ることができるオブジェクトの存続期間の制御を実装しますGUIDによって。



この記事のプログラムはC ++で記述されていますが、COMインターフェイスにはC互換のABIがあるため、ネイティブコードを直接またはFFIを介して機能する任意の言語から操作できます。 MSVC ++および.NETの場合、MSはそれぞれCOMをC ++および.NETオブジェクトシステムに有機的に統合したため、これは特に便利です。



インターフェイスDirect3D 10および11は、いくつかのタイプに分類できます。



DXGIインターフェイス。 DXGIは、Windowsグラフィックサブシステムのすべての新しいコンポーネントのベースとなる低レベルAPIです。 D3Dの場合、特にIDXGISwapChainインターフェイスに関心があります。これは、グラフィックスパイプラインが描画するバッファーのチェーンをカプセル化し、特定のwinapiウィンドウ（HWND）にバインドする役割を果たします。 このインターフェイスを使用する必要はまったくありませんが（「ウィンドウに」レンダリングする場合でも、テクスチャに描画してGDIでHDCに転送できます）、非常に便利なため、よく使用されます。



仮想アダプターインターフェイス これらは、さまざまなリソースの作成、グラフィックパイプラインの構成、および起動に使用されます。 D3D10では、このすべてを単一のインターフェイスが担当していました。ID3D10Device （またはD3D10.1の場合はID3D10Device1）。一般に、D3DおよびDXGIインターフェイスの命名では、名前のプレフィックス「I」は、タイプがインターフェイスタイプ、「DXGI」または「 D3D11」は特定のAPIを意味し、接尾辞（ある場合）はAPIのマイナーバージョンを示します）、D3D11では、 ID3D11Device （リソースの作成）とID3D11DeviceContext （残りの2つのタスク）の2つに分割されました。

これらのインターフェイスを実装するオブジェクトは、いくつかのDXGIインターフェイスも実装します。たとえば、 ID3D11DeviceからIDXGIDeviceインターフェイスを要求できます（ IUnknownに含まれるQueryInterfaceメソッドを呼び出して、最初からIXknownを継承します）。



ここで、最新のAPIを使用すると、このAPIに完全に準拠するためにプログラムが動作するハードウェアを絶対に必要としないことに注意してください。 MicrosoftはD3D10.1に「機能レベル」の概念を導入しました。これにより、APIの新しいバージョンを使用するプログラムをD3D9ハードウェア上でも実行できます（もちろん、APIの機能が含まれていない特定の機能レベルを必要としない限り）。 私のシーンの場合、D3D11を使用しますが、D3D_FEATURE_LEVEL_10_0フラグを使用して仮想アダプターを作成し、それぞれ4番目のモデルのシェーダーを使用します。



ヘルパーインターフェイス。 ID3D11Debug 、 ID3D11InfoQueue 、 ID3D11Counter、またはID3D11ShaderReflectionなど -は、パイプラインの状態、シェーダー、パフォーマンスなどを測定するための追加情報を取得するために使用されます。



リソースインターフェース D3Dでは、リソースはテクスチャ（たとえば、 ID3D11Texture2D -2次元テクスチャ）、または単なるバッファ（たとえば、頂点データを含む）を指します。 リソースオブジェクトは、 IDXGIResourceなどのさまざまなDXGIインターフェイスも実装します。これは、 新しいグラフィックスサブシステム（Direct2D、GDIなど）と新しいバージョンのWindowsの同じサブシステム（D3D9、10、11）の異なるバージョン間の相互運用性の鍵です。



インターフェイスを表示します。 各リソースはいくつかの異なる目的に使用でき、同時に使用することもできます。 D3Dの新しいバージョンでは、パイプラインにテクスチャとバッファーインターフェイスを直接提供しません（頂点、インデックス、および定数バッファーを除く）。代わりに、プレゼンテーションインターフェイスの1つを実装し、パイプラインに提供するオブジェクトを作成します。

D3D11には、次のタイプのビューインターフェイスがあります。

• ID3D11RenderTargetView-レンダリングターゲットの表現（英語のレンダリングターゲット）。 名前が示すように（一般に、D3DとDXGIの型名は長いですが、非常に言えば）、グラフィックパイプラインはこのビューに関連付けられたリソースに描画します
• ID3D11ShaderResourceView-シェーダーによって使用されるリソースの表現（例は、ピクセルシェーダーがテクセルを選択してフラグメントカラーを形成するテクスチャです）。
• ID3D11DepthStencilView-深度およびステンシルバッファーとして使用されるリソースのビュー。
• ID3D11UnorderedAccessView-計算シェーダーで使用されるリソースの表現（Compute Shader、CS-実質的にレンダリングプロセスに属していないため、説明しません）。

シェーダーインターフェイス たとえば、 ID3D11VertexShader 。 グラフィックパイプラインの特定のプログラム可能なステージのシェーダーコードをカプセル化し、このステージのシェーダーを設定するために使用されます。



状態（英語の状態 ）のインターフェイス。 さまざまな非プログラマブルコンベアステージを構成するために使用されます。 例としては、 ID3D11RasterizerState （ラスタライザーを設定）、 ID3D11InputLayout （入力アセンブラーの頂点バッファーから供給された頂点に関する情報を保存）、 ID3D11BlendState （出力マージで色混合プロセスを設定）があります。



冒頭で述べたシーンを描画するプログラム自体については、記事の以下の部分で説明します。つまり、第2部では、仮想アダプターとシーンのレンダリングに必要なリソースの作成と初期化のプロセスを詳細に説明します。 。



完全なコードは、githubの次のリンクから入手できます： github.com/Lovesan/Reef