DrectX

概述

DirectX 是一系列由微软公司开发的应用程序编程接口 (API)，用于处理图形、声音和输入等任务，尤其是在 Windows 操作系统上。它最初是为了解决 Windows 在多媒体处理方面的不足而设计的，并逐渐发展成为游戏开发和高性能图形应用的关键技术。DirectX 并非单一的 API，而是一组 API 的集合，每个 API 负责不同的功能。最早的 DirectX 版本于 1995 年发布，其目标是为 Windows 提供一个高性能的多媒体平台，以与当时流行的操作系统（如 Macintosh）竞争。随着技术的进步，DirectX 经历了多次重大更新，引入了新的功能和改进，以支持不断发展的硬件和软件需求。DirectX 的核心组件包括 Direct3D (图形渲染)、DirectSound (音频处理)、DirectInput (输入设备管理) 和 DirectPlay (多人游戏网络)。Windows API 是 DirectX 运行的基础，DirectX 本身建立在 Windows API 之上。理解 DirectX 的历史和演变对于理解现代游戏开发和图形渲染技术至关重要。

主要特点

DirectX 拥有众多关键特点，使其在多媒体应用开发领域占据重要地位：

**高性能:** DirectX 直接与硬件交互，绕过了操作系统层面的许多开销，从而实现了更高的性能。这对于需要实时渲染的图形应用（如游戏）至关重要。
**硬件加速:** DirectX 充分利用了显卡、声卡等硬件设备的性能，通过硬件加速来提高处理速度。GPU 是 DirectX 图形渲染的核心。
**多媒体支持:** DirectX 支持各种多媒体格式和编码，包括音频、视频和图像。
**跨平台兼容性 (有限):** 虽然 DirectX 主要针对 Windows 平台，但通过一些技术手段（如 Wine），可以在其他操作系统上运行 DirectX 应用。
**可扩展性:** DirectX 具有良好的可扩展性，可以方便地添加新的功能和支持新的硬件。
**实时渲染:** DirectX 擅长实时渲染，使得游戏能够呈现流畅、逼真的画面。
**输入设备支持:** DirectX 提供了对各种输入设备的全面支持，包括键盘、鼠标、游戏手柄等。游戏手柄的驱动程序通常依赖于 DirectX。
**网络功能:** DirectPlay 提供了用于多人游戏网络通信的功能。
**DirectCompute:** DirectCompute 是 DirectX 的一个组件，允许使用 GPU 进行通用计算，而不仅仅是图形渲染。
**Shader 支持:** DirectX 允许开发者使用 Shader 语言编写自定义的图形渲染程序。HLSL (High Level Shading Language) 是 DirectX 中常用的 Shader 语言。

使用方法

使用 DirectX 进行开发通常需要以下步骤：

1. **安装 DirectX SDK:** 首先需要下载并安装 DirectX SDK (Software Development Kit)，其中包含了开发所需的头文件、库文件和工具。虽然微软不再积极维护 DirectX SDK，但许多旧项目仍然依赖它。现在通常推荐使用 Windows SDK，它包含了 DirectX 的最新版本。 2. **包含头文件:** 在 C++ 或其他支持 DirectX 的编程语言中，需要包含相应的头文件，例如 `<d3d9.h>` (Direct3D 9) 或 `<d3d11.h>` (Direct3D 11)。 3. **初始化 DirectX 对象:** 需要创建 Direct3D 设备、上下文、交换链等对象，这些对象是进行图形渲染的基础。 4. **加载资源:** 加载纹理、模型、Shader 等资源，这些资源将被用于渲染场景。 5. **渲染循环:** 编写渲染循环，在循环中执行以下操作：

   *   清除屏幕
   *   设置渲染状态
   *   绘制场景
   *   交换缓冲区

6. **释放资源:** 在程序退出前，需要释放所有 DirectX 对象，以避免内存泄漏。

以下是一个简化的 Direct3D 9 初始化示例：

```c++

include <d3d9.h>

LPDIRECT3D9 g_pD3D; LPDIRECT3DDEVICE9 g_pDevice;

bool InitD3D(HWND hWnd) {

   // 创建 Direct3D 对象
   g_pD3D = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);
   if (!g_pD3D) return false;

   // 获取设备描述
   D3DCAPS9 caps;
   g_pD3D->GetDeviceCaps(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, &caps);

   // 设置设备描述
   D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
   ZeroMemory(&d3dpp, sizeof(d3dpp));
   d3dpp.Windowed = TRUE;
   d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
   d3dpp.hDeviceWindow = hWnd;

   // 创建设备
   HRESULT hr = g_pD3D->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &g_pDevice);
   if (FAILED(hr)) return false;

   return true;

} ```

相关策略

DirectX 在图形渲染策略方面提供了多种选择，开发者可以根据具体需求选择合适的策略：

**顶点着色器 (Vertex Shader):** 用于处理顶点数据，例如进行坐标变换、光照计算等。
**像素着色器 (Pixel Shader):** 用于处理像素数据，例如进行纹理采样、颜色计算等。
**几何着色器 (Geometry Shader):** 用于处理几何数据，例如生成新的几何体、进行细分曲面等。
**纹理映射 (Texture Mapping):** 将纹理图像应用到模型表面，以增加视觉细节。
**光照模型 (Lighting Model):** 模拟光照效果，例如漫反射、镜面反射等。
**阴影映射 (Shadow Mapping):** 生成阴影效果，以增加场景的真实感。
**后处理效果 (Post-Processing Effects):** 对渲染结果进行后期处理，例如添加模糊、锐化、色彩校正等效果。

与其他图形 API 的比较：

| API | 优点 | 缺点 | |---------------|-------------------------------------------------------------------|-------------------------------------------------------------------| | DirectX | 高性能，硬件加速，广泛应用于 Windows 平台 | 主要针对 Windows 平台，跨平台性有限 | | OpenGL | 跨平台性强，开源 | 性能可能不如 DirectX，在 Windows 平台上的优化可能不如 DirectX | | Vulkan | 低层级 API，提供更高的控制权和性能，跨平台 | 学习曲线陡峭，开发难度较高 | | Metal | 苹果公司开发的图形 API，针对 iOS 和 macOS 平台，高性能 | 仅适用于苹果平台 |

DirectX 的选择通常取决于目标平台和应用的需求。对于 Windows 平台上的游戏和高性能图形应用，DirectX 通常是首选。OpenGL 是一个流行的跨平台替代方案。Vulkan 和 Metal 是较新的 API，它们提供了更高的性能和控制权，但学习曲线也更陡峭。

DirectX 版本对比
版本	发布时间	主要特性
DirectX 1	1995年	早期多媒体 API，支持 DirectDraw 和 DirectSound
DirectX 2	1996年	引入 Direct3D，支持硬件加速的图形渲染
DirectX 3	1997年	支持 AGP 接口，改进了 Direct3D 的性能
DirectX 4	1998年	支持 DirectVoice，改进了 DirectSound 的功能
DirectX 5	1999年	引入 DirectMusic，支持 DirectPlay 的多人游戏网络
DirectX 6	2000年	支持顶点着色器和像素着色器
DirectX 7	2001年	改进了 Direct3D 的性能和功能
DirectX 8	2002年	支持纹理压缩和环境贴图
DirectX 9	2003年	引入 Programmable Shaders，支持更复杂的图形效果
DirectX 10	2006年	引入 Shader Model 4.0，改进了 Direct3D 的渲染管线
DirectX 11	2009年	引入 Compute Shaders，支持 DirectCompute
DirectX 12	2015年	降低 CPU 开销，提高 GPU 利用率，支持多线程渲染

Shader 是 DirectX 中图形渲染的关键技术。图形渲染管线描述了 DirectX 如何处理图形数据。DirectCompute 允许开发者使用 GPU 进行通用计算。DirectSound 负责处理音频输出。DirectInput 处理用户输入。DirectPlay 用于多人游戏网络通信。Windows SDK 是开发 DirectX 应用的主要工具。游戏引擎通常会封装 DirectX API，简化开发过程。HLSL 是 DirectX 中常用的 Shader 语言。DirectX Diagnostic Tool 用于诊断 DirectX 相关的问题。DirectDraw 是 DirectX 早期版本中的一个组件，用于处理 2D 图形。DirectVoice 是 DirectX 中用于处理语音通信的 API。

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