Direct3D पर पानी खींचें। भाग 1. ग्राफिक्स पाइपलाइन वास्तुकला और एपीआई

इस लेख में, कई भागों में विभाजित, मैं Direct3D (10-11) के आधुनिक संस्करणों की वास्तुकला को रेखांकित करूंगा, और यह भी दिखाऊंगा कि इस तरह के प्रवाल भित्ति दृश्य को आकर्षित करने के लिए इस एपीआई का उपयोग कैसे किया जाए, जिसका मुख्य लाभ लागू करने के लिए सरल है, लेकिन सुंदर और अपेक्षाकृत ठोस दिखने वाला पानी:



Direct3D वास्तुकला का वर्णन करके शुरू करें।

Direct3D API आधुनिक वीडियो कार्ड की वास्तुकला का एक सीधा प्रतिबिंब है, और निम्नलिखित फॉर्म के ग्राफिक्स पाइपलाइन को इनकैप्सुलेट करता है:



चित्रा में, कन्वेयर के पूरी तरह से प्रोग्राम करने योग्य चरणों को गोल आयतों और सामान्य द्वारा विन्यास योग्य लोगों द्वारा दर्शाया गया है।

अब मैं प्रत्येक चरण को अलग से समझाऊंगा।

इनपुट असेंबलर (आईए के रूप में संक्षिप्त) - सिस्टम मेमोरी में स्थित बफ़र्स से वर्टेक्स डेटा प्राप्त करता है और उनसे प्राइमिटिव्स को इकट्ठा करता है जो पाइपलाइन के बाद के चरणों द्वारा उपयोग किए जाते हैं। इसके अलावा, आईए डी 3 डी रनटाइम द्वारा उत्पन्न कुछ मेटाडेटा को वर्टीकल से जोड़ देता है, जैसे कि वर्टेक्स नंबर।

वर्टेक्स शेडर (वर्टेक्स शेडर, वीएस) एक अनिवार्य, और पूरी तरह से प्रोग्राम योग्य पाइपलाइन चरण है। जैसा कि आप अनुमान लगा सकते हैं, यह प्रत्येक वर्टेक्स (अंग्रेजी वर्टेक्स ) के लिए लॉन्च किया गया है, और इनपुट एसेंबलर से इसके बारे में इनपुट डेटा प्राप्त करता है। इसका उपयोग वर्टिकल के विभिन्न परिवर्तनों के लिए किया जाता है, उनके निर्देशांक के रूपांतरण के लिए एक निर्देशांक प्रणाली से दूसरे में, मानदंड, बनावट निर्देशांक, प्रकाश गणना, और अधिक की पीढ़ी के लिए। वर्टेक्स शेडर से डेटा या तो सीधे रैस्टराइज़र में, या स्ट्रीम आउटपुट में भेजा जाता है (यदि पाइपलाइन का यह चरण स्थापित है, लेकिन ज्यामितीय शेडर नहीं है), या ज्यामितीय शेडर के लिए, या सतह शेडर के लिए।

हल शेडर (सतह shader, HS), डोमेन शेडर (डोमेन shader, DS) और Tesselator (tessellator) , Shader Model 5.0 (और D3D11, क्रमशः) में जोड़े गए चरण हैं और उन्हें टेसुएशन प्रक्रिया में उपयोग किया जाता है (छोटे लोगों में प्रिमिटिव को विभाजित करते हुए) छवि विस्तार में वृद्धि)। कन्वेयर के ये चरण वैकल्पिक हैं, और चूंकि वे मेरे दृश्य में उपयोग नहीं किए जाते हैं, इसलिए मैं उन पर विस्तार से ध्यान नहीं दूंगा। जो लोग चाहते हैं, उनके बारे में पढ़ सकते हैं, उदाहरण के लिए, MSDN पर।

ज्यामिति शेडर (ज्यामितीय शेडर, जीएस) - पाइपलाइन के पिछले चरणों द्वारा संसाधित कोने से इकट्ठे हुए आदिम (बिंदु, रेखा या त्रिकोण) को संसाधित करता है। ज्यामितीय शेड्स मक्खी पर नए प्राइमेटिव उत्पन्न कर सकते हैं (अर्थात, उनके निकास की आवश्यकता 1-टू -1 नहीं है, जैसा कि उदाहरण के लिए, वर्टेक्स शेड्स)। वे छाया (छाया की मात्रा), स्प्राइट्स (कण प्रणाली आदि), प्रतिबिंब (जैसे एक घन मानचित्र में एकल-पास प्रतिपादन) की ज्यामिति उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाते हैं, और जैसे। यद्यपि उनका उपयोग टेसेलेशन के लिए भी किया जा सकता है, यह अनुशंसित नहीं है। जियोमेट्रिक शेडर से डेटा या तो स्ट्रीम आउटपुट या रैस्टराइज़र को भेजा जाता है।

स्ट्रीम आउटपुट (SO) - पाइपलाइन का एक वैकल्पिक चरण, जिसका उपयोग पाइपलाइन द्वारा संसाधित वर्जन को सिस्टम मेमोरी में वापस करने के लिए किया जाता है (ताकि SO निकास को CPU द्वारा पढ़ा जा सके या अगली शुरुआत में पाइपलाइन द्वारा उपयोग किया जा सके)। यह एक ज्यामितीय shader से डेटा प्राप्त करता है, या, इसके अभाव में, किसी शीर्ष या डोमेन shader से।

Rasterizer (rasterizer, RS) - ग्राफिक्स पाइपलाइन का "दिल"। इस चरण का उद्देश्य, जैसा कि नाम का तात्पर्य है, आदिम को भुनाना है, अर्थात्, उन्हें पिक्सेल में विभाजित करना (हालांकि "पिक्सेल" नाम पूरी तरह से सही नहीं है - एक पिक्सेल का आमतौर पर मतलब होता है जो सीधे फ्रेमबफ़र में स्थित होता है, अर्थात् स्क्रीन पर क्या प्रदर्शित होता है) , इसलिए "टुकड़े" अधिक सही होंगे)। रेखापुंज पाइप लाइन के पिछले चरणों से कोने के बारे में वेक्टर जानकारी प्राप्त करेगा, और इसे रेखापुंज में बदल देगा, दायरों के बाहर आदिम काटने, कोने से जुड़े मूल्यों को प्रक्षेपित करेगा (जैसे बनावट निर्देशांक) और दो-आयामी देखने के क्षेत्र में इन पदों को पेश करना (अंग्रेजी) व्यूपोर्ट )। यदि एक स्थापित है, तो रेखापुंज से डेटा पिक्सेल shader में जाता है।

पिक्सेल शेडर (पिक्सेल शेडर, पीएस) - रैस्टराइज़र से प्राप्त छवि के टुकड़े के साथ काम करता है। इसका उपयोग विभिन्न प्रकार के ग्राफिक प्रभावों को लागू करने के लिए किया जाता है, और आउटपुट पर, आउटपुट मर्जर चरण में, टुकड़े का रंग देता है, और, वैकल्पिक रूप से, गहराई मूल्य (यह निर्धारित करने के लिए उपयोग किया जाता है कि कौन से टुकड़े कैमरे के करीब हैं)।

आउटपुट मर्जर (OM) ग्राफिक्स पाइपलाइन का अंतिम चरण है। पिक्सेल शेडर से प्राप्त प्रत्येक टुकड़े के लिए, यह एक गहराई परीक्षण और एक स्टैंसिल परीक्षण करता है, यह निर्धारित करता है कि टुकड़ा फ़्रेमबफ़र में जाना चाहिए और यदि यह चालू है तो रंगों को मिलाएं।

अब एपीआई के बारे में ही।

Direct3D API लाइटवेट COM ( Microsoft घटक ऑब्जेक्ट मॉडल ) पर आधारित है। इतना हल्का कि इसमें "पूर्ण-भाग" COM से केवल इंटरफेस की अवधारणा बनी हुई है।

उन लोगों के लिए जो एक COM इंटरफ़ेस की अवधारणा से अपरिचित हैं - एक छोटा गेय विषयांतर।

COM इंटरफ़ेस की अवधारणा स्वाभाविक रूप से .NET से इंटरफेस की अवधारणा के करीब है (क्योंकि .NET वास्तव में, COM का विकास है)। इसके मूल में, यह एक सार वर्ग है जिसमें केवल विधियाँ हैं और उन्हें एक 16-बाइट पहचानकर्ता ( GUID ) सौंपा गया है। शारीरिक रूप से, एक इंटरफ़ेस फ़ंक्शंस का एक संग्रह है, जो कि पॉइंट टू फंक्शन के साथ एक सरणी के लिए एक पॉइंटर है (एक सी-संगत एबीआई के साथ, और आमतौर पर एक stdcall कॉलिंग कन्वेंशन के साथ), जो पहले तर्क के रूप में इंटरफ़ेस के लिए एक पॉइंटर है। प्रत्येक इंटरफ़ेस के पीछे एक ऑब्जेक्ट है जो इसे लागू करता है, और प्रत्येक ऑब्जेक्ट कई अलग-अलग प्रकार के इंटरफेस को लागू कर सकता है। Microsoft यह इंगित करता है कि किसी वस्तु से संपर्क करने का एकमात्र तरीका जो इंटरफ़ेस को लागू करता है, उस इंटरफ़ेस के लिए एक पॉइंटर के माध्यम से, अर्थात् उसके तरीकों को कॉल करके।

इंटरफेस को एक दूसरे से विरासत में लिया जा सकता है, और डायरेक्ट COM में उन सहित अधिकांश COM इंटरफेस, एक विशेष इंटरफ़ेस से विरासत में मिले हैं - IUnogn , जो एक ऑब्जेक्ट के जीवनकाल पर नियंत्रण रखता है जो संदर्भ की गिनती के माध्यम से इंटरफ़ेस को लागू करता है और ऑब्जेक्ट से विभिन्न प्रकार के इंटरफेस को पॉइंटर्स प्राप्त करने की अनुमति देता है। उनके GUID द्वारा।

मुझे यह कहना होगा कि यद्यपि इस लेख का कार्यक्रम C ++ में लिखा गया है, लेकिन चूंकि COM इंटरफेस में C- संगत ABI है, आप उनके साथ किसी भी भाषा से काम कर सकते हैं जो मूल कोड के साथ, सीधे या एफएफआई के माध्यम से काम कर सकती है। MSVC ++ और .NET के मामले में, यह विशेष रूप से सुविधाजनक है क्योंकि MS, क्रमशः COM को C ++ और .NET ऑब्जेक्ट सिस्टम में एकीकृत करता है।

Interfaces Direct3D 10 और 11 को कई प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है:

डीएक्सजीआई इंटरफेस। डीएक्सजीआई निम्न-स्तरीय एपीआई है जिस पर विंडोज ग्राफिक्स सबसिस्टम के सभी नए घटक आधारित होते हैं। डी 3 डी के मामले में, हम विशेष रूप से IDXGISwapChain इंटरफ़ेस में रुचि रखते हैं - यह बफ़र्स की एक श्रृंखला को अतिक्रमण करता है जिसमें ग्राफिक्स पाइपलाइन खींचता है, और उन्हें एक विशिष्ट winapi विंडो (HWND) के लिए बाध्य करने के लिए जिम्मेदार है। यद्यपि इस इंटरफ़ेस का उपयोग करना बिल्कुल भी आवश्यक नहीं है (यहां तक ​​कि "विंडो को रेंडर करने के लिए" - हम एक बनावट में आकर्षित कर सकते हैं और फिर इसे जीडीआई में एचडीसी में स्थानांतरित कर सकते हैं), यह अक्सर उपयोग किया जाता है, क्योंकि यह बहुत सुविधाजनक है।

वर्चुअल एडेप्टर इंटरफेस उनका उपयोग विभिन्न संसाधनों को बनाने, ग्राफिक्स पाइपलाइन को कॉन्फ़िगर करने और इसे लॉन्च करने के लिए किया जाता है। D3D10 में, सभी के लिए एक इंटरफ़ेस जिम्मेदार था, ID3D10Device (या ID3D10Device1 , D3D10.1 के लिए। सामान्य तौर पर, D3D और DXGI इंटरफेस के नामकरण में, उपसर्ग "I" नाम का अर्थ है कि प्रकार एक इंटरफ़ेस प्रकार है, "DXGI" या "उपसर्ग"। डी 3 डी 11 "का अर्थ है एक विशिष्ट एपीआई, और प्रत्यय, यदि कोई हो, तो एपीआई के एक मामूली संस्करण को इंगित करता है), डी 3 डी 11 में इसे दो में विभाजित किया गया था - आईडी 3 डी 11 डेविस (संसाधन बनाना), और आईडी 3 डी 11 डेवाइसिटोनेक्स्ट (शेष दो कार्य)।
ऑब्जेक्ट जो इन इंटरफेस को लागू करते हैं, वे कुछ DXGI इंटरफेस को भी लागू करते हैं - उदाहरण के लिए, हम ID3D11Device से IDXGIDevice इंटरफ़ेस ( QueryInterface विधि (जिसे IUnogn में शामिल किया गया है, और IUnaware से IUnaware से विरासत में मिला है) में कॉल करके अनुरोध कर सकते हैं)।

यहां यह उल्लेख किया जाना चाहिए कि नवीनतम एपीआई का उपयोग करके हमें पूरी तरह से हार्डवेयर की आवश्यकता नहीं है, जिस पर हमारा कार्यक्रम इस एपीआई का पूरी तरह से पालन करने के लिए काम करेगा। Microsoft ने "फीचर लेवल" कॉन्सेप्ट को D3D10.1 में पेश किया, जो एपीआई के नए संस्करणों का उपयोग करके डी 3 डी 9 हार्डवेयर पर भी चलने की अनुमति देता है (जब तक कि उन्हें एपीआई से किसी विशिष्ट फीचर स्तर तक सुविधाओं की आवश्यकता न हो, जो निश्चित रूप से शामिल नहीं हैं)। मेरे दृश्य के मामले में, मैं D3D11 का उपयोग करूंगा, लेकिन मैं D3D_FEATURE_LEVEL_10_0 ध्वज के साथ एक वर्चुअल एडेप्टर बनाऊंगा, और क्रमशः 4 वें मॉडल के शेड का उपयोग करूंगा।

हेल्पर इंटरफेस। जैसे कि ID3D11Debug , ID3D11InfoQueue , ID3D11Counter या ID3D11ShaderReflection - का उपयोग पाइपलाइन की स्थिति के बारे में अतिरिक्त जानकारी प्राप्त करने के लिए किया जाता है, प्रदर्शनों को मापने के लिए, और इस तरह के अन्य।

संसाधन इंटरफेस डी 3 डी में, एक संसाधन एक बनावट (उदाहरण के लिए, ID3D11Texture2D - एक दो-आयामी बनावट) या सिर्फ एक बफर (उदाहरण के लिए, वर्टेक्स डेटा) को संदर्भित करता है। संसाधन ऑब्जेक्ट भी विभिन्न DXGI इंटरफेस को लागू करते हैं, जैसे कि IDXGIResource , और यह विभिन्न ग्राफिक्स सबसिस्टम (जैसे Direct2D, GDI) और एक ही सबसिस्टम के अलग-अलग संस्करणों (D3D9, 10 और 11) के बीच, विंडोज के नए संस्करणों में अंतर करने की कुंजी है।

अंतर देखें। हम प्रत्येक संसाधन का उपयोग कई अलग-अलग उद्देश्यों के लिए कर सकते हैं, और संभवतः एक साथ भी। डी 3 डी के नए संस्करणों में, हम सीधे पाइपलाइन को बनावट और बफर इंटरफेस की आपूर्ति नहीं करते हैं (वर्टेक्स, इंडेक्स और निरंतर बफ़र्स को छोड़कर), इसके बजाय हम एक ऑब्जेक्ट बनाते हैं जो प्रेजेंटेशन इंटरफेस में से एक को लागू करता है और इसे पाइपलाइन को आपूर्ति करता है।
निम्नलिखित प्रकार के दृश्य इंटरफेस डी 3 डी 11 में मौजूद हैं:

• ID3D11RenderTargetView - रेंडरिंग टारगेट (अंग्रेजी रेंडर टारगेट) का प्रतिनिधित्व। जैसा कि नाम का तात्पर्य है (सामान्य तौर पर, मुझे कहना होगा, डी 3 डी और डीएक्सजीआई में टाइप नाम बहुत बोल रहे हैं, हालांकि लंबे समय तक), ग्राफिक पाइपलाइन इस दृश्य से जुड़े संसाधन को आकर्षित करता है
• ID3D11ShaderResourceView - शेडर्स द्वारा उपयोग किए जाने वाले संसाधनों के लिए प्रतिनिधित्व (एक उदाहरण एक बनावट है जिसमें से एक पिक्सेल shader एक टुकड़े का रंग बनाने के लिए एक टेक्सल का चयन करता है)।
• ID3D11DepthStencilView - एक गहराई और स्टैंसिल बफर के रूप में उपयोग किए जाने वाले संसाधनों के लिए दृश्य।
• ID3D11UnorderedAccessView - कम्प्यूटेशनल शेड्स द्वारा उपयोग किए जाने वाले संसाधनों के लिए प्रतिनिधित्व (गणना शेडर, सीएस - चूंकि वे व्यावहारिक रूप से प्रतिपादन प्रक्रिया से संबंधित नहीं हैं, मैं उनका वर्णन नहीं करूंगा)।

शेडर इंटरफेस उदाहरण के लिए, ID3D11VertexShader । ग्राफिक्स पाइपलाइन के एक विशेष प्रोग्राम स्टेज के लिए shader कोड को इनकैप्सुलेट करें, और इस चरण के लिए shader को सेट करने के लिए उपयोग किया जाता है।

एक राज्य के इंटरफेस (अंग्रेजी राज्य )। विभिन्न गैर-प्रोग्रामेबल कन्वेयर चरणों को कॉन्फ़िगर करने के लिए उपयोग किया जाता है। उदाहरण ID3D11RasterizerState ( रैस्टरएज़र को कॉन्फ़िगर करता है), ID3D11InputLayout (इनपुट असेंबलर में वर्टेक्स बफ़र्स से वितरित वर्टिकल के बारे में जानकारी संग्रहीत करता है), ID3D11BlustState (आउटपुट मर्जर में कलर मिक्सिंग प्रक्रिया को कॉन्फ़िगर करता है)।

प्रोग्राम, जो बहुत शुरुआत में उल्लिखित दृश्य को खींचता है, को लेख के निम्नलिखित भागों में वर्णित किया जाएगा, अर्थात्, दूसरे भाग में मैं आभासी एडाप्टर और दृश्य को प्रस्तुत करने के लिए आवश्यक संसाधनों को बनाने और आरंभ करने की प्रक्रिया का विस्तार से वर्णन करूंगा, और तीसरा भाग कार्यक्रम में उपयोग किए जाने वाले शेड्स के लिए समर्पित होगा। ।

पूरा लिंक निम्नलिखित लिंक पर github पर उपलब्ध है: github.com/Lovesan/Reef