Direct3D11基础知识
这是记录我学习DirectX一系列文章,目测需要掌握一些基本的Win32知识，当然C++是必须的
摘要
在本篇中，我会介绍创建最小DirectX应用程序所需要的一些元素，每个DX程序都必须具有这些元素才成正常运行。这些元素包括一个用来显示DX的窗口和一个DX相关设备，然后我们就可以在窗口上通过DX渲染图形了。
窗口相关
我们通过vs构建c++窗口程序
后面的我就不再多说了。如果对Win32构建桌面程序不太了解，可以上网查资料进行学习，我们目前差不多只要了解到回调函数就可以了
DX相关
现在我们拥有一个正在显示的窗口，然后我们需要初始化D3D。D3D初始化阶段首先需要创建D3D设备,D3D设备上下文和DXGI交换链
D3D设备(ID3D11Device)用来执行渲染和资源创建，它包含了各种创建各种资源的方法，最常用的类有：资源类(ID3D11Resource,包含纹理和缓冲),视图类以及着色器。
D3D设备上下文(ID3D11DeviceContext)用来负责渲染工作，他可以看作是一个渲染管线，他需要绑定来自D3D设备创建的各种资源，视图类和着色器才能正常执行渲染到渲染目标(一切供渲染引擎绘话图形的缓冲皆称为渲染目标)。
DXGI交换链(IDXGISwapChain)用来负责获取展示渲染内容的窗口的缓冲区，它缓存了一个或者多个表面(2D纹理)，这些表面都可以称为缓冲区(Buffer)。主要是前端和后端。前缓冲区保存向用户展示的内容，后缓冲区则是我们主要进行的渲染的场所，我们将它通过合适的手段成为渲染管线将绘制的渲染目标。一旦渲染完成，交换链将通过交换两个缓冲区来展示后缓冲区。这样后缓冲区就变成了前缓冲区，反之亦然。
初始化它们在后边，我先讲下渲染一般流程。
- 创建D3D设备,D3D设备上下文和DXGI交换链
- 创建一个渲染目标视图(RenderTargetView)，并将其绑定到渲染管道上。
- 渲染之前的最后一件事就是初始化视口。视口就是用来映射剪辑空间坐标。
- 渲染场景。
- 交换链交换缓冲区。
以上，就是一般渲染流程。现在，我开始介绍如何执行上述步骤：
D3D设备和D3D设备上下文的创建
D3D11CreateDevice函数--创建D3D设备和D3D设备上下文
HRESULT WINAPI D3D11CreateDevice(
IDXGIAdapter* pAdapter, // [In_Opt]适配器
D3D_DRIVER_TYPE DriverType, // [In]驱动类型
HMODULE Software, // [In_Opt]若上面为D3D_DRIVER_TYPE_SOFTWARE则这里需要提供程序模块
UINT Flags, // [In]使用D3D11_CREATE_DEVICE_FLAG枚举类型
D3D_FEATURE_LEVEL* pFeatureLevels, // [In_Opt]若为nullptr则为默认特性等级，否则需要提供特性等级数组
UINT FeatureLevels, // [In]特性等级数组的元素数目
UINT SDKVersion, // [In]SDK版本，默认D3D11_SDK_VERSION
ID3D11Device** ppDevice, // [Out_Opt]输出D3D设备
D3D_FEATURE_LEVEL* pFeatureLevel, // [Out_Opt]输出当前应用D3D特性等级
ID3D11DeviceContext** ppImmediateContext //[Out_Opt]输出D3D设备上下文
);pAdapter(适配器)，可以看作是显卡的一层封装，通过它我们设置选择哪个显卡。一般设置为nullptr，这样可以由上层驱动替我们决定使用哪个显卡，我们也可到NVIDIA控制面板来设置设置当前程序使用哪个显卡。DriverType指定驱动类型，不过通常大多数我们选择D3D_DRIVER_HADEWARE，以享受硬件加速带来的收益。Software是实现软光栅器的DLL的句柄。如果DriverType是D3D_DRIVER_TYPE_SOFTWARE,则Software不得为NULL。Flags对应的是D3D11_CREATE_DEVICE_FLAG枚举值,如果需要D3D设备调试的话(在Debug模式下)，可以指定D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG枚举值，指定该值后，可以在程序出现异常的时候观察调试输出窗口的信息。该值可以按位进行OR运算。例如：UINT flags = 0; #if _DEBUG flags |= D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG; #endif // DEBUG
pFeatureLevels是一个特征等级数组，通过函数内部进行查询以检测所支持的特征等级。如果pFeatureLevel是nullptr，则函数使用如下特征等级数组：
{
D3D_FEATURE_LEVEL_11_0,
D3D_FEATURE_LEVEL_10_1,
D3D_FEATURE_LEVEL_10_0,
D3D_FEATURE_LEVEL_9_3,
D3D_FEATURE_LEVEL_9_2,
D3D_FEATURE_LEVEL_9_1,
};可以看出如果想创建D3D_FEATURE_LEVEL_11_1设备，必须显式提供包含D3D_FEATURE_LEVEL_11_1的D3D_FEATURE_LEVEL数组。例如：
D3D_FEATURE_LEVEL featureLevels[] =
{
D3D_FEATURE_LEVEL_11_1,
D3D_FEATURE_LEVEL_11_0,
D3D_FEATURE_LEVEL_10_1
};但是如果系统不支持D3D 11.1，则D3D11CreateDevice会立刻返回一个E_INVALIDARG。如果这样，你需要降低特征等级。
在Win10, Win8.x 或 Win7 SP1且安装了KB2670838补丁的系统都支持Direct3D 11.1的API
FeatureLevels是pFeatureLevels中元素数量。SDKVersion默认使用D3D11_SDK_VERSION。ppDevice``ppImmediateContext分别是获取对应对象的指针。pFeatureLevel是获取特征等级数组的第一个元素。如果不需要的话就输入nullptr。示例代码：
HRESULT hr = S_OK; // D3D11_CREATE_DEVICE_FLAG枚举类型值 UINT flags = 0; #if _DEBUG flags |= D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG; #endif // DEBUG // 特性等级数组 D3D_FEATURE_LEVEL featureLevels[] = { D3D_FEATURE_LEVEL_11_1, D3D_FEATURE_LEVEL_11_0, D3D_FEATURE_LEVEL_10_1 }; UINT numFeatureLevel = ARRAYSIZE(featureLevels); D3D_FEATURE_LEVEL featureLevel; hr = D3D11CreateDevice(nullptr, D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE, NULL, flags, featureLevels, numFeatureLevel, D3D11_SDK_VERSION, &pD3D11Device, &featureLevel, &pImmediateContext); if (hr == E_INVALIDARG) { // Direct3D 11.0不识别D3D_FEATURE_11_1,所以我们可以取第二个元素试试 hr = D3D11CreateDevice(nullptr, D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE, NULL, flags, &featureLevels[1], numFeatureLevel - 1, D3D11_SDK_VERSION, &pD3D11Device, &featureLevel, &pImmediateContext); } // 检测是否创建成功 if (FAILED(hr)) { MessageBox(0, L"D3D11CreateDevice Failed.", 0, 0); return hr; } // 检测是否支持特征等级11.0或11.0 if (featureLevel != D3D_FEATURE_LEVEL_11_1 && featureLevel != D3D_FEATURE_LEVEL_11_0) { MessageBox(0, L"Direct3D Feature Level 11 unsupported.", 0, 0); return false; }
DXGI交换链初始化
我们需要先了解D3D和DXGI各版本的对应关系，这很重要
DXGI的交换链的创建需要通过IDXGIFactory::CreateSwapChain方法进行，但是如果要创建D3D 11.1对应的交换链，则需要通过IDXGIFactory::CreateSwapChainForHwnd进行。
所以，我们想要得到交换链，必须先获取包含IDXGIFactory接口的对象。
获取包含IDXGIFactory接口的对象
一开始我们在创建D3D设备的时候使用的是默认的显卡适配器IDXGIAdapter。所以创建出来的D3D设备本身就实现了IDXGIDevice接口，通过该对象，我们可以获取到当前所用的显卡适配器IDXGIAdapter对象，这样我们再通过查询它的父级找到是哪个IDXGIFactory枚举出来的适配器。所以得到IDXGIFactory接口实例代码如下：
IDXGIFactory1 *pFactory1 = nullptr;
{
IDXGIDevice* pDevice = nullptr;
hr = g_pD3D11Device->QueryInterface(__uuidof(IDXGIDevice), reinterpret_cast<void**> (&pDevice));
if (SUCCEEDED(hr))
{
IDXGIAdapter* pAdapter = nullptr;
hr = pDevice->GetAdapter(&pAdapter);
if (SUCCEEDED(hr))
{
pAdapter->GetParent(__uuidof(IDXGIFactory1), reinterpret_cast<void**>(&pFactory1));
pAdapter->Release();
}
pDevice->Release();
}
}我们也发现，每得到一节接口对象，用完后要手动释放，这样是不是太麻烦了。于是，我们引入Comptr智能指针，所以上述代码就简化成这样了：
ComPtr<IDXGIDevice>dxgiDevice;
ComPtr<IDXGIAdapter>dxgiAdapter;
ComPtr<IDXGIFactory1>dxgiFactory1;
ComPtr<IDXGIFactory2>dxgiFactory2;
if (SUCCEEDED(g_pD3D11Device.As(&dxgiDevice)))
{
if (SUCCEEDED(dxgiDevice->GetAdapter(dxgiAdapter.GetAddressOf())))
{
hr = dxgiAdapter->GetParent(__uuidof(IDXGIFactory1), reinterpret_cast<void**>(dxgiFactory1.GetAddressOf()));
}
}
if (FAILED(hr))
return hr;如果他支持D3D 11.1的话，我们就可以通过下面代码拿到DXGI 1.2的对象
dxgiFactory1.As(&dxgiFactory2);
IDXGIFactory::CreateSwapChainForHwnd——D3D 11.1创建交换链
如果是D3D 11.1的话，我们需要先填充DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1和DXGI_SWAP_CHAIN_FULLSCREEN_DESC这两个结构体
typedef struct DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1
{
UINT Width; // 缓冲区宽度
UINT Height; // 缓冲区高度
DXGI_FORMAT Format; // 缓冲区数据格式
BOOL Stereo; // 忽略
DXGI_SAMPLE_DESC SampleDesc; // 采样描述
DXGI_USAGE BufferUsage; // 缓冲区用途
UINT BufferCount; // 缓冲区数目
DXGI_SCALING Scaling; // 忽略
DXGI_SWAP_EFFECT SwapEffect; // 交换效果
DXGI_ALPHA_MODE AlphaMode; // 忽略
UINT Flags; // 使用DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG枚举类型
} DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1;
typedef struct DXGI_SAMPLE_DESC
{
UINT Count; // MSAA采样数
UINT Quality; // MSAA质量等级
} DXGI_SAMPLE_DESC;
typedef struct DXGI_SWAP_CHAIN_FULLSCREEN_DESC
{
DXGI_RATIONAL RefreshRate; // 刷新率
DXGI_MODE_SCANLINE_ORDER ScanlineOrdering; // 忽略
DXGI_MODE_SCALING Scaling; // 忽略
BOOL Windowed; // 是否窗口化
} DXGI_SWAP_CHAIN_FULLSCREEN_DESC;
typedef struct DXGI_RATIONAL
{
UINT Numerator; // 刷新率分子
UINT Denominator; // 刷新率分母
} DXGI_RATIONAL;填充玩交换链描述符后就可以构建交换链，一个简单的示例如下：
// dx 11.1 or later
DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1 sd = {};
sd.Width = 400;
sd.Height = 600;
sd.Format = DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM;
sd.SampleDesc.Count = 1;
sd.SampleDesc.Quality = 0;
sd.BufferUsage = DXGI_USAGE_RENDER_TARGET_OUTPUT;
sd.BufferCount = 1;
hr = dxgiFactory2->CreateSwapChainForHwnd(g_pD3D11Device.Get(), g_hWnd, &sd, nullptr, nullptr, g_pSwapChain1.GetAddressOf());
if (SUCCEEDED(hr))
{
hr = g_pSwapChain1.As(&g_pSwapChain);
}
if (SUCCEEDED(hr))
{
// 注意我们上面因为没有填充DXGI_SWAP_CHAIN_FULLSCREEN_DESC结构体，所以我们要禁用ALT+ENTER与全屏的关联。
dxgiFactory2->MakeWindowAssociation(g_hWnd, DXGI_MWA_NO_ALT_ENTER);
}上面可以注意到我不进得到了g_pSwapChain1,还通过它得到了g_pSwapChain。其实这两个接口对象指的都是同一个对象，只是前者比后者多实现了一些额外的接口，我们在后续一般使用g_pSwapChain就够了。
为渲染管道设置渲染目标
通过DXGI交换链得到原始内存
由于我们之前创建好的交换链已经包含一个后缓冲区了，我们可以通过IDXGI::GetBuffer()方法直接获取到后缓冲区的ID3D11Texture2D接口。
HRESULT IDXGISwapChain::GetBuffer(
UINT Buffer, // [In]缓冲区索引号，从0到BufferCount - 1
REFIID riid, // [In]缓冲区的接口类型ID
void **ppSurface // [Out]获取到的缓冲区
);为原始内存创建渲染目标视图
通常渲染目标是一个二维纹理，但它可能会绑定其他类型的资源。我们需要将得到的原始内存绑定到渲染目标视图上。使用ID3D11Device::CreateRenderTargetView方法来创建。
HRESULT ID3D11Device::CreateRenderTargetView(
ID3D11Resource *pResource, // [In]待绑定到渲染目标视图的资源
const D3D11_RENDER_TARGET_VIEW_DESC *pDesc, // [In]为NULl时则为选择默认渲染目标视图
ID3D11RenderTargetView **ppRTView); // [Out]获取渲染目标视图为渲染管线的输出合并阶段设置渲染目标
我们可以通过渲染上下文，在渲染管线的输出合并阶段设置渲染目标。可以通过ID3D11DeviceContent::OMSetRenderTargets方法实现。这样就可以确保管道呈现(Present)的输出被写入了后台缓冲区。
void ID3D11DeviceContext::OMSetRenderTargets(
UINT NumViews, // [In] 视图数目
ID3D11RenderTargetView *const *ppRenderTargetViews, // [In] 渲染目标视图数组
ID3D11DepthStencilView *pDepthStencilView) = 0; // [In] 深度/模板视图下面给出简单实现
// 得到原始内存 ComPtr<ID3D11RenderTargetView> g_pRenderTargetView; ComPtr<ID3D11Texture2D> pBackBuffer; g_pSwapChain->GetBuffer(0, __uuidof(ID3D11Texture2D), reinterpret_cast<void**>(pBackBuffer.GetAddressOf())); // 创建渲染目标视图 g_pD3D11Device->CreateRenderTargetView(pBackBuffer.Get(), nullptr, g_pRenderTargetView.GetAddressOf()); // 为渲染管道设置渲染目标 g_pImmediateContext->OMSetRenderTargets(1, g_pRenderTargetView.GetAddressOf(), nullptr);
初始化视口
最终我们还需决定将整个视图输出到窗口特定的范围。我们需要使用D3D11_VIEWPORT来描述视口，然后通过ID3D11DeviceContext::RSSetViewports方法来设置1个或者多个视口
typedef struct D3D11_VIEWPORT
{
FLOAT TopLeftX; // 屏幕左上角起始位置X
FLOAT TopLeftY; // 屏幕左上角起始位置Y
FLOAT Width; // 宽度
FLOAT Height; // 高度
FLOAT MinDepth; // 最小深度，必须为0.0f
FLOAT MaxDepth; // 最大深度，必须为1.0f
} D3D11_VIEWPORT;
void ID3D11DeviceContext::RSSetViewports(
UINT NumViewports, // 视口数目
const D3D11_VIEWPORT *pViewports); // 视口数组简单实例
D3D11_VIEWPORT vp ; vp.Width = static_cast<float>(width); vp.Height = static_cast<float>(height); vp.MinDepth = 0.0f; vp.MaxDepth = 1.0f; vp.TopLeftX = 0; vp.TopLeftY = 0; g_pImmediateContext->RSSetViewports(1, &vp);
渲染场景并呈现
每一次渲染之前，我们需要清理一遍渲染目标视图绑定的缓冲区
void ID3D11DeviceContext::ClearRenderTargetView(
ID3D11RenderTargetView *pRenderTargetView, // [In]渲染目标视图
const FLOAT ColorRGBA[4]); // [In]指定覆盖颜色然后我们让DXGI交换前后缓冲区以呈现输出。
HRESULT ID3D11DeviceContext::Present(
UINT SyncInterval, // [In]通常为0
UINT Flags); // [In]通常为0示例代码
if (g_pImmediateContext&&g_pSwapChain)
{
static float blue[4] = { 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f }; // RGBA = (0,0,255,255)
g_pImmediateContext->ClearRenderTargetView(g_pRenderTargetView.Get(), blue);
g_pSwapChain->Present(0, 0);
}最终的绘制效果应该如下
。。。。。。。
。。。。。
报错了，，原来是我忘记引入静态库了
在程序最上方加入
#pragma comment(lib, "d3d11.lib") #pragma comment(lib, "dxgi.lib") #pragma comment(lib, "dxguid.lib")
对了，最好把
#pragma comment(lib, "D3DCompiler.lib") #pragma comment(lib, "winmm.lib")
这也加上，为后续做准备。
最终绘制效果如下
程序最后的清理
因为我们使用了智能指针，所以我们只需要通过ID3D11DeviceContext::ClearState来恢复D3D设备上下文到默认状态就可以了，它会卸下所有绑定的资源。剩下的我们就交给智能指针就OK了。
DX相关代码如下
// DX相关全局变。
HWND g_hWnd;
template <class T>
using ComPtr = Microsoft::WRL::ComPtr<T>;
ComPtr<ID3D11Device> g_pD3D11Device;
ComPtr<ID3D11DeviceContext> g_pImmediateContext;
ComPtr<IDXGISwapChain> g_pSwapChain;
ComPtr<IDXGISwapChain1> g_pSwapChain1;
ComPtr<ID3D11RenderTargetView> g_pRenderTargetView;
UINT width = 400;
UINT height = 600;
// 初始化D3D
HRESULT InitD3DDevice()
{
HRESULT hr = S_OK;
// D3D11_CREATE_DEVICE_FLAG枚举类型值
UINT flags = 0;
#if _DEBUG
flags |= D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG;
#endif // DEBUG
// 特性等级数组
D3D_FEATURE_LEVEL featureLevels[] =
{
D3D_FEATURE_LEVEL_11_1,
D3D_FEATURE_LEVEL_11_0,
D3D_FEATURE_LEVEL_10_1
};
UINT numFeatureLevel = ARRAYSIZE(featureLevels);
D3D_FEATURE_LEVEL featureLevel;
hr = D3D11CreateDevice(nullptr, D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE, NULL, flags,
featureLevels, numFeatureLevel, D3D11_SDK_VERSION, g_pD3D11Device.GetAddressOf(), &featureLevel,
g_pImmediateContext.GetAddressOf());
if (hr == E_INVALIDARG)
{
// Direct3D 11.0不识别D3D_FEATURE_11_1,所以我们可以取第二个元素试试
hr = D3D11CreateDevice(nullptr, D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE, NULL, flags,
&featureLevels[1], numFeatureLevel - 1, D3D11_SDK_VERSION, g_pD3D11Device.GetAddressOf(), &featureLevel,
g_pImmediateContext.GetAddressOf());
}
// 检测是否创建成功
if (FAILED(hr))
{
MessageBox(0, L"D3D11CreateDevice Failed.", 0, 0);
return hr;
}
// 检测是否支持特征等级11.0或11.0
if (featureLevel != D3D_FEATURE_LEVEL_11_1 && featureLevel != D3D_FEATURE_LEVEL_11_0)
{
MessageBox(0, L"Direct3D Feature Level 11 unsupported.", 0, 0);
return hr;
}
// Obtain DXGI factory from device.
ComPtr<IDXGIDevice>dxgiDevice;
ComPtr<IDXGIAdapter>dxgiAdapter;
ComPtr<IDXGIFactory1>dxgiFactory1;
ComPtr<IDXGIFactory2>dxgiFactory2;
if (SUCCEEDED(g_pD3D11Device.As(&dxgiDevice)))
{
if (SUCCEEDED(dxgiDevice->GetAdapter(dxgiAdapter.GetAddressOf())))
{
hr = dxgiAdapter->GetParent(__uuidof(IDXGIFactory1), reinterpret_cast<void**>(dxgiFactory1.GetAddressOf()));
}
}
if (FAILED(hr))
return hr;
//
// Create swap chain
//
// 查看对象是否有IDXGIFactory2接口
dxgiFactory1.As(&dxgiFactory2);
if(dxgiFactory2)
{
// dx 11.1 or later
DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1 sd = {};
sd.Width = 400;
sd.Height = 600;
sd.Format = DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM;
sd.SampleDesc.Count = 1;
sd.SampleDesc.Quality = 0;
sd.BufferUsage = DXGI_USAGE_RENDER_TARGET_OUTPUT;
sd.BufferCount = 1;
hr = dxgiFactory2->CreateSwapChainForHwnd(g_pD3D11Device.Get(), g_hWnd, &sd, nullptr, nullptr, g_pSwapChain1.GetAddressOf());
if (SUCCEEDED(hr))
{
hr = g_pSwapChain1.As(&g_pSwapChain);
}
if (SUCCEEDED(hr))
{
// 注意我们上面因为没有填充DXGI_SWAP_CHAIN_FULLSCREEN_DESC结构体，所以我们要禁用ALT+ENTER与全屏的关联。
dxgiFactory2->MakeWindowAssociation(g_hWnd, DXGI_MWA_NO_ALT_ENTER);
}
}
//
// DXGI和D3D设备交互
//
// 得到原始内存
ComPtr<ID3D11Texture2D> pBackBuffer;
g_pSwapChain->GetBuffer(0, __uuidof(ID3D11Texture2D), reinterpret_cast<void**>(pBackBuffer.GetAddressOf()));
// 创建渲染目标视图
g_pD3D11Device->CreateRenderTargetView(pBackBuffer.Get(), nullptr, g_pRenderTargetView.GetAddressOf());
// 为渲染管道设置渲染目标
g_pImmediateContext->OMSetRenderTargets(1, g_pRenderTargetView.GetAddressOf(), nullptr);
// 初始化视口
D3D11_VIEWPORT vp = {};
vp.Width = static_cast<float>(width);
vp.Height = static_cast<float>(height);
vp.MinDepth = 0.0f;
vp.MaxDepth = 1.0f;
vp.TopLeftX = 0;
vp.TopLeftY = 0;
g_pImmediateContext->RSSetViewports(1, &vp);
return hr;
}
// 主程序退出后的清理。
void Clear()
{
g_pImmediateContext->ClearState();
}
// 渲染
void Render()
{
if (g_pImmediateContext&&g_pSwapChain)
{
static float blue[4] = { 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f }; // RGBA = (0,0,255,255)
g_pImmediateContext->ClearRenderTargetView(g_pRenderTargetView.Get(), blue);
g_pSwapChain->Present(0, 0);
}
}
京公网安备 11010502036488号