【译】DirectX 12 简明入门教程 |
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【译】DirectX 12 简明入门教程
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原文链接：https://alain.xyz/blog/raw-directx12作者：Alain Galvan 本文将介绍如何编写一个简单的 Hello Triangle DirectX 12 应用程序。DirectX 12 是最新的底层图形 API，用来编写 Windows 应用程序，支持光线追踪、计算、光栅化等特性。 Github仓库 下载范例 书  DirectX 12是微软专有计算机图形 API 的最新版本，用于 Windows 和 Xbox 平台。与 Vulkan、Apple Metal 和 WebGPU 等较新的图形 API 一样，DirectX 12旨在让开发者可以更接近 GPU 的底层架构，从而能开发出不再复杂、运行更快的驱动程序。这意味着应用程序开发者能直接创建管线状态，指定使用队列执行哪些命令，并能选择使用多线程来构建这些数据结构。  DirectX 专注于实时渲染，因此专为游戏开发人员和计算机辅助设计（CAD）软件工程师而设计。作为计算机图形 API 的行业标准，几乎所有兼容的硬件都能对 DirectX 提供强大支持，使它成为商业项目的标准。 从 Marmoset Toolbag、Adobe PhotoShop、Unreal Engine 等三维或图像创作软件，再到像 Activision Blizzard 的 OverWatch 和 Call of Duty、Epic 的 Fortnite 的商业游戏、以及 Valve 的 Steam 上的绝大多数游戏等等，DirectX 这个图形 API 是最受欢迎并且无处不在，尽管它对某些平台不兼容。 当然，这并不是说 DirectX 在 3D 渲染之外的领域没有用途。Google Chrome 使用 DirectX 渲染 HTML 和 SVG 元素。Tensorflow 采用了 DirectX 12 后端为使用 DirectML 执行机器学习提供支持。采用计算管线（compute pipeline）的 GPGPU 计算可以执行各种工作负载，包括物理仿真、构造 BVH 等等。 DirectX 12 目前支持以下设备： Windows 7 - 11（Windows 7 可以通过微软的 D3D12 On 7 部分支持DirectX 12）✖️ Xbox One - Xbox Series X/S虽然 DirectX 12 的官方语言或许是 C 和 C++，但还有不少语言同样支持 DirectX 12： CC++C#Rust（借助 dx-sys）我已经准备了一个Github仓库，其中包含入门所需的一切内容。我将用 C++ 介绍一个 Hello Triangle 应用程序，这个程序使用了光栅图形管线创建三角形并将它渲染到屏幕上。 安装首先安装： GitCMake集成开发环境（IDE），比如 Visual Studio、XCode，或者是编译器，比如 GCC然后在任何终端（如 VS Code 的集成终端）中，输入以下内容。 # Clone 代码仓 git clone https://github.com/alaingalvan/directx12-seed --recurse-submodules # 定位至文件夹 cd directx12-seed # 如果你忘记了 `recurse-submodules` ，你始终可以运行: git submodule update --init # 创建一个 build 文件夹，并将你的项目文件存放在里面： # ️ 在 Windows 上构建 Visual Studio 64位版本的解决方案 cmake . -B build -A x64 # 在 Mac OS 上构建 XCode 项目 cmake . -B build -G Xcode # 在 Linux 上构建 .make 文件 cmake . -B build # 适用在任何平台上进行构建 cmake --build build概述DirectX 12 的开发文档建议使用ComPtr来作为std::shared_ptr的替代，这样做的好处是可以更好地调试，更容易初始化 DirectX 12 的数据结构。 无论你是否选择使用ComPtr，使用 DirectX 12 渲染光栅图形的步骤与其他现代图形 API 非常相似： 初始化 API：创建IDXGIFactory 、IDXGIAdapter、ID3D12Device、ID3D12CommandQueue、ID3D12CommandAllocator、ID3D12GraphicsCommandList 。设置帧后台缓冲：为后台缓冲区创建IDXGISwapChain、ID3D12DescriptorHeap，为ID3D12Resource后台缓冲区渲染目标视图，创建ID3D12Fence以检测帧何时完成渲染。初始化资源：创建三角形数据，例如ID3D12Resource顶点缓冲区、ID3D12Resource索引缓冲区等，创建ID3D12Fence以检测上传到 GPU 内存的时间。加载着色器ID3DBlob、常量缓冲区ID3D12Resource及其ID3D12DescriptorHeap，描述使用ID3D12RootSignature可以访问哪些资源，并构建ID3D12PipelineState 编码指令：向ID3D12GraphicsCommandList编写你希望执行的管线指令，确保将ResourceBarrier放在适当的位置。渲染：更新 GPU 常量缓冲区数据（Uniforms），使用ExecuteCommandLists将命令提交至ID3D12CommandQueue，Present交换链，然后等待下一帧。销毁：使用Release()来销毁正在使用的数据结构，或者使用ComPtr对数据结构解除分配。下面我将对 Github 仓库中代码片段进行解释，省略了某些部分，并且成员变量 （mMemberVariable） 内联声明，不带前缀m，以便你可以更容易地分辨它们的类型，这里给出的示例代码可以独立运行。 创建窗口（Window Creation）我们使用 CrossWindow （译者注：原文给出的链接失效了，可以从这个 github仓库 来访问）来创建支持跨平台的窗口。创建 Win32 窗口并对其进行更新，操作非常简单： #include "CrossWindow/CrossWindow.h" #include "Renderer.h" #include void xmain(int argc, const char** argv) { // ️ 创建窗口 xwin::WindowDesc wdesc; wdesc.title = "DirectX 12 Seed"; wdesc.name = "MainWindow"; wdesc.visible = true; wdesc.width = 640; wdesc.height = 640; wdesc.fullscreen = false; xwin::Window window; xwin::EventQueue eventQueue; if (!window.create(wdesc, eventQueue)) { return; }; // 创建一个渲染器 Renderer renderer(window); // 引擎循环 bool isRunning = true; while (isRunning) { bool shouldRender = true; // ♻️ 更新事件队列 eventQueue.update(); // 事件迭代: while (!eventQueue.empty()) { // 更新事件 const xwin::Event& event = eventQueue.front(); // 响应窗口改变大小: if (event.type == xwin::EventType::Resize) { const xwin::ResizeData data = event.data.resize; renderer.resize(data.width, data.height); shouldRender = false; } // ❌ 响应窗口关闭: if (event.type == xwin::EventType::Close) { window.close(); shouldRender = false; isRunning = false; } eventQueue.pop(); } // ✨ 更新可视化部分 if (shouldRender) { renderer.render(); } } }如果你想替代 CrossWindow，可以使用其它库，比如 GLFW，SFML，SDL，QT，或者直接调用 Win32 或 UWP API 接口。 初始化 API Initialize API）工厂（Factory） 工厂是 DirectX 12 API 的入口，它允许你查找那些支持 DirectX 12 命令的适配器（译者注：可以理解为显卡）。 你还可以在工厂附近创建一个调试控制器（Debug Controller），它可以启用 API 使用情况验证。这只能在 debug 模式中使用。 参考：IDXGIFactory7// 声明 DirectX 12 句柄（Handle） IDXGIFactory4* factory; ID3D12Debug1* debugController; // 创建 Factory UINT dxgiFactoryFlags = 0; #if defined(_DEBUG) // 创建一个 Debug Controller 来追踪错误 ID3D12Debug* dc; ThrowIfFailed(D3D12GetDebugInterface(IID_PPV_ARGS(&dc))); ThrowIfFailed(dc->QueryInterface(IID_PPV_ARGS(&debugController))); debugController->EnableDebugLayer(); debugController->SetEnableGPUBasedValidation(true); dxgiFactoryFlags |= DXGI_CREATE_FACTORY_DEBUG; dc->Release(); dc = nullptr; #endif HRESULT result = CreateDXGIFactory2(dxgiFactoryFlags, IID_PPV_ARGS(&factory)); 适配器（Adapter） Adapter 提供了有关 DirectX 设备物理属性的信息。你可以查询当前 GPU 的名称、制造商、显存容量以及其它更多信息。 有两种类型的适配器：软件适配器和硬件适配器。微软 Windows 系统总是会包含一个基于软件层面的DirectX 实现，让你可以在没有专用硬件（如独立或集成 GPU ）的情况下使用 API 。 参考：IDXGIAdapter4// 声明句柄 IDXGIAdapter1* adapter; // 创建 Adapter for (UINT adapterIndex = 0; DXGI_ERROR_NOT_FOUND != factory->EnumAdapters1(adapterIndex, &adapter); ++adapterIndex) { DXGI_ADAPTER_DESC1 desc; adapter->GetDesc1(&desc); // ❌ 不要选用 Basic Render Driver adapter. if (desc.Flags & DXGI_ADAPTER_FLAG_SOFTWARE) { continue; } // ✔️ 检查适配器是否支持 Direct3D 12, 如果支持就选择它来供程序运行并返回 if (SUCCEEDED(D3D12CreateDevice(adapter, D3D_FEATURE_LEVEL_12_0, _uuidof(ID3D12Device), nullptr))) { break; } // ❌ 否则的话，不再使用这个迭代器 adapter，所以要进行释放 adapter->Release(); } 设备（Device） 设备是 DirectX 12 API 的主要入口点，可用来访问 API 的内部。这是访问重要数据结构和函数（如管线、着色器 blob、渲染状态、资源屏障等）的关键。 参考：IDXGIDevice4// 声明句柄 ID3D12Device* device; // 创建 Device ThrowIfFailed(D3D12CreateDevice(adapter, D3D_FEATURE_LEVEL_12_0, IID_PPV_ARGS(&device)));调试 DirectX 创建的数据结构可能非常困难。而一个 Debug Device 对象允许你使用 DirectX 12 的调试模式。这样，你将能够防止数据泄露，或者能验证程序是否正确创建或使用 API。 参考：ID3D12DebugDevice// 声明句柄 ID3D12DebugDevice* debugDevice; #if defined(_DEBUG) // 获取 debug device ThrowIfFailed(device->QueryInterface(&debugDevice)); #endif 命令队列（Command Queue） 命令队列让你可以一次性提交多组 draw call（称为命令列表 command lists）来按顺序来执行命令，从而让 GPU 保持充分工作并优化执行速度。 参考：ID3D12CommandQueue// 声明句柄 ID3D12CommandQueue* commandQueue; // 创建 Command Queue D3D12_COMMAND_QUEUE_DESC queueDesc = {}; queueDesc.Flags = D3D12_COMMAND_QUEUE_FLAG_NONE; queueDesc.Type = D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT; ThrowIfFailed(device->CreateCommandQueue(&queueDesc, IID_PPV_ARGS(&commandQueue))); 命令分配器（Command Allocator） 命令分配器让你可以创建命令列表，你可以在其中定义希望 GPU 执行的功能。 参考：ID3D12CommandAllocator// 声明句柄 ID3D12CommandAllocator* commandAllocator; // 创建命令分配器 ThrowIfFailed(device->CreateCommandAllocator(D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT, IID_PPV_ARGS(&commandAllocator))); 同步（Synchronization） DirectX 12 具有大量同步图元（synchronization primitives），可以告知驱动程序如何使用资源、GPU 何时完成任务等。 围栏（Fence）能让程序知道 GPU 在什么时候执行了哪些特定任务，无论是上传了哪些资源到 GPU 专用内存，还是程序什么时候完成向屏幕的提交（present），都能获取到这些信息。 参考：ID3D12Fence1// 声明句柄 UINT frameIndex; HANDLE fenceEvent; ID3D12Fence* fence; UINT64 fenceValue; // 创建 fence ThrowIfFailed(device->CreateFence(0, D3D12_FENCE_FLAG_NONE, IID_PPV_ARGS(&fence)));屏障（Barrier）能让驱动程序知道如何在即将提交的命令中使用资源。比如说，程序正在写入纹理，并且想要将这个纹理复制到另一个纹理（例如交换链的渲染附件），这会很有用。 // 声明句柄 ID3D12GraphicsCommandList* commandList; // 创建 Barrier D3D12_RESOURCE_BARRIER barrier = {}; barrier.Type = D3D12_RESOURCE_BARRIER_TYPE_TRANSITION; barrier.Flags = D3D12_RESOURCE_BARRIER_FLAG_NONE; barrier.Transition.pResource = texResource; barrier.Transition.StateBefore = D3D12_RESOURCE_STATE_COPY_SOURCE; barrier.Transition.StateAfter = D3D12_RESOURCE_STATE_UNORDERED_ACCESS; barrier.Transition.Subresource = D3D12_RESOURCE_BARRIER_ALL_SUBRESOURCES; commandList->ResourceBarrier(1, &barrier); 交换链（Swap Chain） 交换链能处理交换和分配后台缓冲区，用来显示正在渲染到给定窗口的内容。 // 声明数据变量 unsigned width = 640; unsigned height = 640; // 声明句柄 static const UINT backbufferCount = 2; UINT currentBuffer; ID3D12DescriptorHeap* renderTargetViewHeap; ID3D12Resource* renderTargets[backbufferCount]; UINT rtvDescriptorSize; // ⛓️ 声明交换链 IDXGISwapChain3* swapchain; D3D12_VIEWPORT viewport; D3D12_RECT surfaceSize; surfaceSize.left = 0; surfaceSize.top = 0; surfaceSize.right = static_cast(width); surfaceSize.bottom = static_cast(height); viewport.TopLeftX = 0.0f; viewport.TopLeftY = 0.0f; viewport.Width = static_cast(width); viewport.Height = static_cast(height); viewport.MinDepth = .1f; viewport.MaxDepth = 1000.f; if (swapchain != nullptr) { // 通过交换链创建渲染目标附件(Render Target Attachments) swapchain->ResizeBuffers(backbufferCount, width, height, DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM, 0); } else { // ⛓️ 创建交换链 DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1 swapchainDesc = {}; swapchainDesc.BufferCount = backbufferCount; swapchainDesc.Width = width; swapchainDesc.Height = height; swapchainDesc.Format = DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM; swapchainDesc.BufferUsage = DXGI_USAGE_RENDER_TARGET_OUTPUT; swapchainDesc.SwapEffect = DXGI_SWAP_EFFECT_FLIP_DISCARD; swapchainDesc.SampleDesc.Count = 1; IDXGISwapChain1* newSwapchain = xgfx::createSwapchain(window, factory, commandQueue, &swapchainDesc); HRESULT swapchainSupport = swapchain->QueryInterface( __uuidof(IDXGISwapChain3), (void**)&newSwapchain); if (SUCCEEDED(swapchainSupport)) { swapchain = (IDXGISwapChain3*)newSwapchain; } } frameIndex = swapchain->GetCurrentBackBufferIndex(); // 描述并创建渲染目标视图(render target view, RTV) 描述符堆 D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC rtvHeapDesc = {}; rtvHeapDesc.NumDescriptors = backbufferCount; rtvHeapDesc.Type = D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_RTV; rtvHeapDesc.Flags = D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_NONE; ThrowIfFailed(device->CreateDescriptorHeap( &rtvHeapDesc, IID_PPV_ARGS(&renderTargetViewHeap))); rtvDescriptorSize = device->GetDescriptorHandleIncrementSize(D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_RTV); // ️ 创建帧资源 D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE rtvHandle(renderTargetViewHeap->GetCPUDescriptorHandleForHeapStart()); // 为每帧创建RTV for (UINT n = 0; n GetBuffer(n, IID_PPV_ARGS(&renderTargets[n]))); device->CreateRenderTargetView(renderTargets[n], nullptr, rtvHandle); rtvHandle.ptr += (1 * rtvDescriptorSize); } 初始化资源（Initialize Resources）描述符堆（Descriptor Heaps） 描述符堆是用来处理内存分配的，这些内存存储着色器引用的对象描述。 参考：ID3D12DescriptorHeapID3D12DescriptorHeap* renderTargetViewHeap; D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC rtvHeapDesc = {}; rtvHeapDesc.NumDescriptors = backbufferCount; rtvHeapDesc.Type = D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_RTV; rtvHeapDesc.Flags = D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_NONE; ThrowIfFailed(device->CreateDescriptorHeap( &rtvHeapDesc, IID_PPV_ARGS(&renderTargetViewHeap))); 根签名（Root Signature） 根签名定义了着色器可以访问资源类型的对象，包括常量缓冲区、结构化缓冲区、采样器、纹理、结构化缓冲区，等等。 参考：ID3D12RootSignature// 声明句柄 ID3D12RootSignature* rootSignature; // 判断是否能得到1.1版本的根签名: D3D12_FEATURE_DATA_ROOT_SIGNATURE featureData = {}; featureData.HighestVersion = D3D_ROOT_SIGNATURE_VERSION_1_1; if (FAILED(device->CheckFeatureSupport(D3D12_FEATURE_ROOT_SIGNATURE, &featureData, sizeof(featureData)))) { featureData.HighestVersion = D3D_ROOT_SIGNATURE_VERSION_1_0; } // 私有的GPU资源 D3D12_DESCRIPTOR_RANGE1 ranges[1]; ranges[0].BaseShaderRegister = 0; ranges[0].RangeType = D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV; ranges[0].NumDescriptors = 1; ranges[0].RegisterSpace = 0; ranges[0].OffsetInDescriptorsFromTableStart = 0; ranges[0].Flags = D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_FLAG_NONE; // ️ GPU资源组 D3D12_ROOT_PARAMETER1 rootParameters[1]; rootParameters[0].ParameterType = D3D12_ROOT_PARAMETER_TYPE_DESCRIPTOR_TABLE; rootParameters[0].ShaderVisibility = D3D12_SHADER_VISIBILITY_VERTEX; rootParameters[0].DescriptorTable.NumDescriptorRanges = 1; rootParameters[0].DescriptorTable.pDescriptorRanges = ranges; // 所有布局 D3D12_VERSIONED_ROOT_SIGNATURE_DESC rootSignatureDesc; rootSignatureDesc.Version = D3D_ROOT_SIGNATURE_VERSION_1_1; rootSignatureDesc.Desc_1_1.Flags = D3D12_ROOT_SIGNATURE_FLAG_ALLOW_INPUT_ASSEMBLER_INPUT_LAYOUT; rootSignatureDesc.Desc_1_1.NumParameters = 1; rootSignatureDesc.Desc_1_1.pParameters = rootParameters; rootSignatureDesc.Desc_1_1.NumStaticSamplers = 0; rootSignatureDesc.Desc_1_1.pStaticSamplers = nullptr; ID3DBlob* signature; ID3DBlob* error; try { // 创建根签名 ThrowIfFailed(D3D12SerializeVersionedRootSignature(&rootSignatureDesc, &signature, &error)); ThrowIfFailed(device->CreateRootSignature(0, signature->GetBufferPointer(), signature->GetBufferSize(), IID_PPV_ARGS(&rootSignature))); rootSignature->SetName(L"Hello Triangle Root Signature"); } catch (std::exception e) { const char* errStr = (const char*)error->GetBufferPointer(); std::cout Release(); signature = nullptr; }虽然程序运行起来没有问题，但如果使用无绑定资源（bindless resources），那么开发起来要容易得多，Matt Pettineo（@MyNameIsMJP）在《Ray Tracing Gems II》中写过关于这方面的内容。 堆（Heaps） 堆是 GPU 显存中的对象。你可以使用堆将顶点缓冲区或纹理等资源上传到 GPU 显存中。 参考：ID3D12Resource// 上传: // 声明句柄 ID3D12Resource* uploadBuffer; std::vector sourceData; D3D12_HEAP_PROPERTIES uploadHeapProps = {D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD, D3D12_CPU_PAGE_PROPERTY_UNKNOWN, D3D12_MEMORY_POOL_UNKNOWN, 1u, 1u}; D3D12_RESOURCE_DESC uploadBufferDesc = {D3D12_RESOURCE_DIMENSION_BUFFER, 65536ull, 65536ull, 1u, 1, 1, DXGI_FORMAT_UNKNOWN, {1u, 0u}, D3D12_TEXTURE_LAYOUT_ROW_MAJOR, D3D12_RESOURCE_FLAG_NONE}; result = device->CreateCommittedResource( &uploadHeapProps, D3D12_HEAP_FLAG_NONE, &uploadBufferDesc, D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, __uuidof(ID3D12Resource), ((void**)&uploadBuffer)); uint8_t* data = nullptr; D3D12_RANGE range{0, SIZE_T(chunkSize)}; auto hr = spStaging -> Map(0, &range, reinterpret_cast(&data)); if (FAILED(hr)) { std::cout顶点缓冲区将每个顶点信息作为属性存储在顶点着色器中。所有缓冲区都是 DirectX 12 中的ID3D12Resource对象，无论是顶点缓冲区、索引缓冲区、常量缓冲区等。 参考：D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW// 声明数据结构 struct Vertex { float position[3]; float color[3]; }; Vertex vertexBufferData[3] = {{{1.0f, -1.0f, 0.0f}, {1.0f, 0.0f, 0.0f}}, {{-1.0f, -1.0f, 0.0f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f}}, {{0.0f, 1.0f, 0.0f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f}}}; // 声明句柄 ID3D12Resource* vertexBuffer; D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW vertexBufferView; const UINT vertexBufferSize = sizeof(vertexBufferData); D3D12_HEAP_PROPERTIES heapProps; heapProps.Type = D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD; heapProps.CPUPageProperty = D3D12_CPU_PAGE_PROPERTY_UNKNOWN; heapProps.MemoryPoolPreference = D3D12_MEMORY_POOL_UNKNOWN; heapProps.CreationNodeMask = 1; heapProps.VisibleNodeMask = 1; D3D12_RESOURCE_DESC vertexBufferResourceDesc; vertexBufferResourceDesc.Dimension = D3D12_RESOURCE_DIMENSION_BUFFER; vertexBufferResourceDesc.Alignment = 0; vertexBufferResourceDesc.Width = vertexBufferSize; vertexBufferResourceDesc.Height = 1; vertexBufferResourceDesc.DepthOrArraySize = 1; vertexBufferResourceDesc.MipLevels = 1; vertexBufferResourceDesc.Format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN; vertexBufferResourceDesc.SampleDesc.Count = 1; vertexBufferResourceDesc.SampleDesc.Quality = 0; vertexBufferResourceDesc.Layout = D3D12_TEXTURE_LAYOUT_ROW_MAJOR; vertexBufferResourceDesc.Flags = D3D12_RESOURCE_FLAG_NONE; ThrowIfFailed(device->CreateCommittedResource( &heapProps, D3D12_HEAP_FLAG_NONE, &vertexBufferResourceDesc, D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, IID_PPV_ARGS(&vertexBuffer))); // 向顶点缓冲区拷贝三角形数据 UINT8* pVertexDataBegin; // 不会在 CPU 中读取这些资源 D3D12_RANGE readRange; readRange.Begin = 0; readRange.End = 0; ThrowIfFailed(vertexBuffer->Map(0, &readRange, reinterpret_cast(&pVertexDataBegin))); memcpy(pVertexDataBegin, vertexBufferData, sizeof(vertexBufferData)); vertexBuffer->Unmap(0, nullptr); // 初始化顶点缓冲视图. vertexBufferView.BufferLocation = vertexBuffer->GetGPUVirtualAddress(); vertexBufferView.StrideInBytes = sizeof(Vertex); vertexBufferView.SizeInBytes = vertexBufferSize; 索引缓冲区（Index Buffer） 索引缓冲区包含要绘制的每个三角形、线、点的各个索引。 参考：D3D12_INDEX_BUFFER_VIEW// 声明数组 uint32_t indexBufferData[3] = {0, 1, 2}; // 声明句柄 ID3D12Resource* indexBuffer; D3D12_INDEX_BUFFER_VIEW indexBufferView; const UINT indexBufferSize = sizeof(indexBufferData); D3D12_HEAP_PROPERTIES heapProps; heapProps.Type = D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD; heapProps.CPUPageProperty = D3D12_CPU_PAGE_PROPERTY_UNKNOWN; heapProps.MemoryPoolPreference = D3D12_MEMORY_POOL_UNKNOWN; heapProps.CreationNodeMask = 1; heapProps.VisibleNodeMask = 1; D3D12_RESOURCE_DESC vertexBufferResourceDesc; vertexBufferResourceDesc.Dimension = D3D12_RESOURCE_DIMENSION_BUFFER; vertexBufferResourceDesc.Alignment = 0; vertexBufferResourceDesc.Width = indexBufferSize; vertexBufferResourceDesc.Height = 1; vertexBufferResourceDesc.DepthOrArraySize = 1; vertexBufferResourceDesc.MipLevels = 1; vertexBufferResourceDesc.Format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN; vertexBufferResourceDesc.SampleDesc.Count = 1; vertexBufferResourceDesc.SampleDesc.Quality = 0; vertexBufferResourceDesc.Layout = D3D12_TEXTURE_LAYOUT_ROW_MAJOR; vertexBufferResourceDesc.Flags = D3D12_RESOURCE_FLAG_NONE; ThrowIfFailed(device->CreateCommittedResource( &heapProps, D3D12_HEAP_FLAG_NONE, &vertexBufferResourceDesc, D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, IID_PPV_ARGS(&indexBuffer))); // 向 DirectX 12 显存拷贝数据: UINT8* pVertexDataBegin; // 不会在 CPU 中读取这些资源 D3D12_RANGE readRange; readRange.Begin = 0; readRange.End = 0; ThrowIfFailed(indexBuffer->Map(0, &readRange, reinterpret_cast(&pVertexDataBegin))); memcpy(pVertexDataBegin, indexBufferData, sizeof(indexBufferData)); indexBuffer->Unmap(0, nullptr); // 初始化索引缓冲区视图 indexBufferView.BufferLocation = indexBuffer->GetGPUVirtualAddress(); indexBufferView.Format = DXGI_FORMAT_R32_UINT; indexBufferView.SizeInBytes = indexBufferSize; 常量缓冲区（Constant Buffer） 常量缓冲区描述了在程序绘制时将发送到着色器阶段的数据。通常，你在这里存放着模型视图投影矩阵或任何特定的变量数据，如颜色。 // 声明数据结构 struct { glm::mat4 projectionMatrix; glm::mat4 modelMatrix; glm::mat4 viewMatrix; } cbVS; // 声明句柄 ID3D12Resource* constantBuffer; ID3D12DescriptorHeap* constantBufferHeap; UINT8* mappedConstantBuffer; // 创建常量缓冲区 D3D12_HEAP_PROPERTIES heapProps; heapProps.Type = D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD; heapProps.CPUPageProperty = D3D12_CPU_PAGE_PROPERTY_UNKNOWN; heapProps.MemoryPoolPreference = D3D12_MEMORY_POOL_UNKNOWN; heapProps.CreationNodeMask = 1; heapProps.VisibleNodeMask = 1; D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC heapDesc = {}; heapDesc.NumDescriptors = 1; heapDesc.Flags = D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_SHADER_VISIBLE; heapDesc.Type = D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_CBV_SRV_UAV; ThrowIfFailed(device->CreateDescriptorHeap(&heapDesc, IID_PPV_ARGS(&constantBufferHeap))); D3D12_RESOURCE_DESC cbResourceDesc; cbResourceDesc.Dimension = D3D12_RESOURCE_DIMENSION_BUFFER; cbResourceDesc.Alignment = 0; cbResourceDesc.Width = (sizeof(cbVS) + 255) & ~255; cbResourceDesc.Height = 1; cbResourceDesc.DepthOrArraySize = 1; cbResourceDesc.MipLevels = 1; cbResourceDesc.Format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN; cbResourceDesc.SampleDesc.Count = 1; cbResourceDesc.SampleDesc.Quality = 0; cbResourceDesc.Layout = D3D12_TEXTURE_LAYOUT_ROW_MAJOR; cbResourceDesc.Flags = D3D12_RESOURCE_FLAG_NONE; ThrowIfFailed(device->CreateCommittedResource( &heapProps, D3D12_HEAP_FLAG_NONE, &cbResourceDesc, D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, IID_PPV_ARGS(&constantBuffer))); constantBufferHeap->SetName(L"Constant Buffer Upload Resource Heap"); // 创建常量缓冲区视图（CBV） D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC cbvDesc = {}; cbvDesc.BufferLocation = constantBuffer->GetGPUVirtualAddress(); cbvDesc.SizeInBytes = (sizeof(cbVS) + 255) & ~255; // CB size is required to be 256-byte aligned. D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE cbvHandle(constantBufferHeap->GetCPUDescriptorHandleForHeapStart()); cbvHandle.ptr = cbvHandle.ptr + device->GetDescriptorHandleIncrementSize( D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_CBV_SRV_UAV) * 0; device->CreateConstantBufferView(&cbvDesc, cbvHandle); // 不会在 CPU 中读取这些资源 D3D12_RANGE readRange; readRange.Begin = 0; readRange.End = 0; ThrowIfFailed(constantBuffer->Map( 0, &readRange, reinterpret_cast(&mappedConstantBuffer))); memcpy(mappedConstantBuffer, &cbVS, sizeof(cbVS)); constantBuffer->Unmap(0, &readRange); 顶点着色器（Vertex Shader） 顶点着色器是逐顶点执行的，它非常适合对给定对象进行转换处理，比如根据混合形状执行每个顶点动画、GPU 蒙皮，等等。 cbuffer cb : register(b0) { row_major float4x4 projectionMatrix : packoffset(c0); row_major float4x4 modelMatrix : packoffset(c4); row_major float4x4 viewMatrix : packoffset(c8); }; struct VertexInput { float3 inPos : POSITION; float3 inColor : COLOR; }; struct VertexOutput { float3 color : COLOR; float4 position : SV_Position; }; VertexOutput main(VertexInput vertexInput) { float3 inColor = vertexInput.inColor; float3 inPos = vertexInput.inPos; float3 outColor = inColor; float4 position = mul(float4(inPos, 1.0f), mul(modelMatrix, mul(viewMatrix, projectionMatrix))); VertexOutput output; output.position = position; output.color = outColor; return output; }你可以使用传统的 DirectX 着色器编译器（已包含在 DirectX 11/12 API 中）来编译 shader ，但最好使用较新的官方编译器。 dxc.exe -T lib_6_3 -Fo assets/triangle.vert.dxil assets/triangle.vert.hlsl然后，你就能以为二进制文件形式加载着色器： inline std::vector readFile(const std::string& filename) { std::ifstream file(filename, std::ios::ate | std::ios::binary); bool exists = (bool)file; if (!exists || !file.is_open()) { throw std::runtime_error("failed to open file!"); } size_t fileSize = (size_t)file.tellg(); std::vector buffer(fileSize); file.seekg(0); file.read(buffer.data(), fileSize); file.close(); return buffer; }; // 声明句柄 D3D12_SHADER_BYTECODE vsBytecode; std::string compiledPath; std::vector vsBytecodeData = readFile(compCompiledPath); vsBytecode.pShaderBytecode = vsBytecodeData.data(); vsBytecode.BytecodeLength = vsBytecodeData.size(); 像素着色器（Pixel Shader） 像素着色器是按输出的每个像素来执行的，包括与这个像素坐标对应的其他附件。 struct PixelInput { float3 color : COLOR; }; struct PixelOutput { float4 attachment0 : SV_Target0; }; PixelOutput main(PixelInput pixelInput) { float3 inColor = pixelInput.color; PixelOutput output; output.attachment0 = float4(inColor, 1.0f); return output; } 管线状态（Pipeline State） 管线状态描述了执行给定的光栅绘制指令所用到的全部内容。 参考：ID3D12GraphicsCommandList5// 声明句柄 ID3D12PipelineState* pipelineState; // ⚗️ 定义图形管线 D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC psoDesc = {}; // 输入装配布局 D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC inputElementDescs[] = { {"POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0, D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0}, {"COLOR", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 12, D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0}}; psoDesc.InputLayout = {inputElementDescs, _countof(inputElementDescs)}; // 资源 psoDesc.pRootSignature = rootSignature; // 顶点着色器 D3D12_SHADER_BYTECODE vsBytecode; vsBytecode.pShaderBytecode = vertexShaderBlob->GetBufferPointer(); vsBytecode.BytecodeLength = vertexShaderBlob->GetBufferSize(); psoDesc.VS = vsBytecode; // ️ 像素着色器 D3D12_SHADER_BYTECODE psBytecode; psBytecode.pShaderBytecode = pixelShaderBlob->GetBufferPointer(); psBytecode.BytecodeLength = pixelShaderBlob->GetBufferSize(); psoDesc.PS = psBytecode; // 光栅化 D3D12_RASTERIZER_DESC rasterDesc; rasterDesc.FillMode = D3D12_FILL_MODE_SOLID; rasterDesc.CullMode = D3D12_CULL_MODE_NONE; rasterDesc.FrontCounterClockwise = FALSE; rasterDesc.DepthBias = D3D12_DEFAULT_DEPTH_BIAS; rasterDesc.DepthBiasClamp = D3D12_DEFAULT_DEPTH_BIAS_CLAMP; rasterDesc.SlopeScaledDepthBias = D3D12_DEFAULT_SLOPE_SCALED_DEPTH_BIAS; rasterDesc.DepthClipEnable = TRUE; rasterDesc.MultisampleEnable = FALSE; rasterDesc.AntialiasedLineEnable = FALSE; rasterDesc.ForcedSampleCount = 0; rasterDesc.ConservativeRaster = D3D12_CONSERVATIVE_RASTERIZATION_MODE_OFF; psoDesc.RasterizerState = rasterDesc; psoDesc.PrimitiveTopologyType = D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_TRIANGLE; // 颜色/混合 D3D12_BLEND_DESC blendDesc; blendDesc.AlphaToCoverageEnable = FALSE; blendDesc.IndependentBlendEnable = FALSE; const D3D12_RENDER_TARGET_BLEND_DESC defaultRenderTargetBlendDesc = { FALSE, FALSE, D3D12_BLEND_ONE, D3D12_BLEND_ZERO, D3D12_BLEND_OP_ADD, D3D12_BLEND_ONE, D3D12_BLEND_ZERO, D3D12_BLEND_OP_ADD, D3D12_LOGIC_OP_NOOP, D3D12_COLOR_WRITE_ENABLE_ALL, }; for (UINT i = 0; i CreateGraphicsPipelineState( &psoDesc, IID_PPV_ARGS(&pipelineState))); } catch (std::exception e) { std::cout为了执行 draw call，你需要一个编写命令的地方。命令列表（Command List）可以对 GPU 要执行的许多命令进行编码，包括设置屏障（barrier）、设置根签名等等。 参考：ID3D12GraphicsCommandList5// 声明句柄 ID3D12CommandAllocator* commandAllocator; ID3D12PipelineState* initialPipelineState; ID3D12GraphicsCommandList* commandList; // 创建命令列表 ThrowIfFailed(device->CreateCommandList(0, D3D12_COMMAND_LIST_TYPE_DIRECT, commandAllocator, initialPipelineState, IID_PPV_ARGS(&commandList)));然后，对这些命令进行编码并提交： // 重置命令列表并添加新的命令 ThrowIfFailed(commandAllocator->Reset()); // ️ 开始调用光栅图形管线 ThrowIfFailed(commandList->Reset(commandAllocator, pipelineState)); // 设置资源 commandList->SetGraphicsRootSignature(rootSignature); ID3D12DescriptorHeap* pDescriptorHeaps[] = {constantBufferHeap}; commandList->SetDescriptorHeaps(_countof(pDescriptorHeaps), pDescriptorHeaps); D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE cbvHandle(constantBufferHeap->GetGPUDescriptorHandleForHeapStart()); commandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(0, cbvHandle); // ️ 指派back buffer，用作render target D3D12_RESOURCE_BARRIER renderTargetBarrier; renderTargetBarrier.Type = D3D12_RESOURCE_BARRIER_TYPE_TRANSITION; renderTargetBarrier.Flags = D3D12_RESOURCE_BARRIER_FLAG_NONE; renderTargetBarrier.Transition.pResource = renderTargets[frameIndex]; renderTargetBarrier.Transition.StateBefore = D3D12_RESOURCE_STATE_PRESENT; renderTargetBarrier.Transition.StateAfter = D3D12_RESOURCE_STATE_RENDER_TARGET; renderTargetBarrier.Transition.Subresource = D3D12_RESOURCE_BARRIER_ALL_SUBRESOURCES; commandList->ResourceBarrier(1, &renderTargetBarrier); D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE rtvHandle(rtvHeap->GetCPUDescriptorHandleForHeapStart()); rtvHandle.ptr = rtvHandle.ptr + (frameIndex * rtvDescriptorSize); commandList->OMSetRenderTargets(1, &rtvHandle, FALSE, nullptr); // 记录光栅命令. const float clearColor[] = {0.2f, 0.2f, 0.2f, 1.0f}; commandList->RSSetViewports(1, &viewport); commandList->RSSetScissorRects(1, &surfaceSize); commandList->ClearRenderTargetView(rtvHandle, clearColor, 0, nullptr); commandList->IASetPrimitiveTopology(D3D_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST); commandList->IASetVertexBuffers(0, 1, &vertexBufferView); commandList->IASetIndexBuffer(&indexBufferView); commandList->DrawIndexedInstanced(3, 1, 0, 0, 0); // ️ 指派back buffer 随即提交（present） D3D12_RESOURCE_BARRIER presentBarrier; presentBarrier.Type = D3D12_RESOURCE_BARRIER_TYPE_TRANSITION; presentBarrier.Flags = D3D12_RESOURCE_BARRIER_FLAG_NONE; presentBarrier.Transition.pResource = renderTargets[frameIndex]; presentBarrier.Transition.StateBefore = D3D12_RESOURCE_STATE_RENDER_TARGET; presentBarrier.Transition.StateAfter = D3D12_RESOURCE_STATE_PRESENT; presentBarrier.Transition.Subresource = D3D12_RESOURCE_BARRIER_ALL_SUBRESOURCES; commandList->ResourceBarrier(1, &presentBarrier); ThrowIfFailed(commandList->Close()); 渲染（Render） 在 DirectX 12 中渲染非常简单：你需要在刷新时改动常量缓冲区数据、提交要执行的命令列表、提交交换链来更新 Win32 或 UWP 窗口，同时向程序发出已完成提交的信号。 // 声明句柄 std::chrono::time_point tStart, tEnd; float elapsedTime = 0.0f; void render() { // ⌚ 将帧率锁定至60fps tEnd = std::chrono::high_resolution_clock::now(); float time = std::chrono::duration(tEnd - tStart).count(); if (time Map( 0, &readRange, reinterpret_cast(&mappedConstantBuffer))); memcpy(mappedConstantBuffer, &cbVS, sizeof(cbVS)); constantBuffer->Unmap(0, &readRange); setupCommands(); ID3D12CommandList* ppCommandLists[] = {commandList}; commandQueue->ExecuteCommandLists(_countof(ppCommandLists), ppCommandLists); // 提交，然后等待GPU执行 swapchain->Present(1, 0); const UINT64 fence = fenceValue; ThrowIfFailed(commandQueue->Signal(fence, fence)); fenceValue++; if (fence->GetCompletedValue() SetEventOnCompletion(fence, fenceEvent)); WaitForSingleObject(fenceEvent, INFINITE); } frameIndex = swapchain->GetCurrentBackBufferIndex(); } 销毁句柄（Destroy Handles）如果你使用的是ComPtr数据结构，那么就像使用共享指针一样，你无需担心什么时候销毁已创建的句柄。如果没使用ComPtr，那你可以调用内置在每个 DirectX 数据结构中的Release()函数进行销毁。 结论DirectX 12 是一个功能丰富、性能强大的计算机图形 API，非常适合商业项目。它在设计上遵循现代图形 API，同时它也是硬件驱动程序工程师和商业项目工程师主要在维护的 API。这篇文章回顾了基于光栅的绘图，但没有涉及到更多方面，而它们同样值得探讨，例如： DirectML：硬件加速机器学习模型。DirectX Raytracing：硬件加速光线追踪和场景遍历。计算着色器（Compute Shader）：基于 GPGPU 执行任意任务，例如图像处理、物理等。网格着色器（Mesh Shader）：一种替代传统基于光栅渲染技术构建基元的方法。可变速率着色（Variable Rate Shading，VRS）：对给定命令集的着色速率进行更精细的控制。我还写了更多关于 DirectX 的文章： Raw DirectX 12 book 介绍了计算管线、光线追踪管线等。Raw DirectX 11 blog post 回顾了早期的 DirectX 11，并且可以把这篇文章作为学习 DirectX 很不错的入门材料，因为这里面的许多概念都沿用到了 DirectX 12。更多资源你一定不要错过下面这些文章、工具和项目： 文章在微软 DirectX 12文档中有一个页面，包含了初始化 DirectX 的所用到的全部数据结构；微软在这个链接里有关于 D3D12 和 11 的规范文档；Jendrik Illner（@jendrikillner）写了一篇 DirectX 12 学习计划；Braynzarsoft，一个 DirectX 教程社区；Riko Ophorst 的一篇 DirectX 12 光线追踪论文；Riccardo Loggini 的 D3D12 博客文章；英特尔关于 D3D12 博客文章；NVIDIA 关于 D3D12 和相关主题的博客文章；Diligent Graphics （@diligentengine） 写了篇关于 DirectX 12 的文章；Jeremiah van Oosten的 DirectX 12 系列教程；Alex Tardif （@longbool）的 A Gentle Introduction to D3D12；范例微软官方的 DirectX 12 范例代码仓库；英特尔官方的 GitHub Organization Game Tech Dev；NVIDIA 的官方 GitHub Organization GameWorks；Matthäus G. Chajdas（@NIV_Anteru）发布的 HelloD3D12，它是 AMD 的 GPUOpen 库和 SDK 的一部分；工具由 Adam Sawicki（@Reg__）开发的 D3D12 Memory Allocator ，他同样还是 Vulkan Memory Allocator 的开发者；Tim Jones（@tim_jones） 发布了一个VS Code 插件 HLSL Tools，可让你更轻松地对编写 shader；你可以在这个Github仓库中找到本篇文章提到的所有源代码。 |
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