Direct3D

Pipeline

Direct3D (oft mit D3D abgekürzt) ist eine Programmierschnittstelle (API) von Microsoft für 3D-Computergrafik. Direct3D ist ein Bestandteil von DirectX. Das 1992 von Servan Keondjian gegründete Unternehmen RenderMorphic wurde im Jahre 1995 von Microsoft gekauft, um dessen 3D-API Reality Labs zu Direct3D weiterzuentwickeln und 1996 in DirectX 2.0 zu integrieren. Keondjian leitete die Arbeiten und Doug Rabson agierte als Chefentwickler des Microsoft-Teams, das die 3D-API für Windows 95 entwickelte. Nach der Fertigstellung verließen Keondjian und Rabson das Unternehmen.

Direct3D dient dazu, Windows-Anwendungen einen möglichst direkten Zugriff auf die Hardware eines Computers zu geben. Häufig verwendet wird Direct3D vor allem für Computerspiele, bei dem es mit dem plattform- und betriebssystemunabhängigen OpenGL konkurriert. Direct3D verwendet anders als OpenGL ein linkshändiges Koordinatensystem.

Die lange Zeit eigenständige Programmierschnittstelle DirectDraw zur Programmierung von 2D-Computergrafik wurde mit DirectX 8.0 in Direct3D integriert.

Für die Grafikausgabe existiert in Windows neben Direct3D auch das Graphics Device Interface (GDI). Das GDI stellt eine abstrahierte Programmierschnittstelle zur Verfügung, bei der es für den Programmierer etwa wenig Unterschied macht, ob auf einen Bildschirm oder auf einen Drucker gezeichnet wird. Diese Abstraktion macht die Ausgabe selbst allerdings deutlich langsamer, unter anderem deshalb, weil das GDI komplexe Zeichenbefehle aus Grundoperationen nachbilden muss. Im Gegensatz zu Direct3D kommt das GDI daher vorrangig zur Darstellung gewöhnlicher Desktopapplikationen zum Einsatz, die nicht allzu grafik-intensiv sind. Mittlerweile existieren auch weitere Grafikschnittstellen in Windows, wie z. B. GDI+ oder Direct2D.

Mit Direct3D können Anwendungen dagegen an GDI vorbei direkt auf die Hardware zugreifen. Wenn ein Gerät einen komplexeren Befehl nicht unterstützt, so gibt Direct3D lediglich eine Fehlermeldung zurück. Es ist dann Aufgabe der Anwendung, auf diese Fehlermeldung adäquat zu reagieren – etwa durch Nachbildung des Befehls aus Grundoperationen, durch weniger detailgetreue Darstellung oder durch eine Fehlermeldung an den Anwender.

Verschiedene Grafikkarten unterstützen Direct3D durch Gerätetreiber, welche die standardisierten API-Befehle von Direct3D auf die Grafikhardware abbilden. Dabei unterscheidet Direct3D zwischen initialisierenden und ausführenden Befehlen. Initialisierende Befehle konvertieren komplexere Datenstrukturen – wie etwa Texturen – in das grafikkarten-spezifische Format, ausführende Befehle zeigen die derart konvertierten Elemente an. Da das Initialisieren und Konvertieren von Elementen einige Zeit in Anspruch nehmen kann, ist es bei Spielen üblich, dies während des Ladens eines neuen Levels zu tun. Ausführende Befehle sind dagegen auf größtmögliche Geschwindigkeit optimiert.

Moderne Grafikkarten stellen so genannte Hardware-Shader zur Verfügung. Diese Shader sind ausführbare Mini-Programme, welche zum Erzeugen von 3D-Effekten benutzt werden. Für die Programmierung der Shader definierte Microsoft eine eigene Maschinensprache, die von den beiden derzeit führenden Produzenten von Grafikchips, NVIDIA und AMD in ihren Chips überwiegend direkt unterstützt werden. Heutzutage werden aber vorwiegend Hochsprachen wie HLSL oder GLSL zur Shader-Programmierung genutzt. Direct3D erlaubt es, die verfügbaren Shader-Typen (Vertex-Shader, Pixel-Shader und Geometry-Shader) anzusteuern.

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Unterstützte Plattformen

Die ersten Versionen von Direct3D wurden für Windows 95 entwickelt. Die derzeit aktuelle Windows-Version von Direct3D ist Version 12.x, diese wird jedoch genauso wie Direct3D 10 nur in Windows Vista und Windows 7, sowie zusätzlich Windows 8 in neueren Unterversionen unterstützt. Die weiterhin verfügbare Version 9.0c unterstützt sowohl die Nachfolger von Windows 95 als auch – mit Windows XP – die NT-Linie.

Die von Microsoft produzierten Spielkonsolen Xbox und Xbox 360 werden ebenfalls mit Varianten von Direct3D programmiert. Neben diesen beiden von Microsoft offiziell unterstützten Plattformen existieren mit Cedega und Wine zwei Implementierungen des Direct3D-APIs für Linux. Auch die Sega Dreamcast war kompatibel zu Direct3D.

Feature levels

Mit Direct3D 10.1 wurde das Konzept der feature levels eingeführt.

	9.1	9.2	9.3	10.0	10.1	11.0	11.1	12.0	12.1
Shader-Modell	2.0	2.0	4.0 (4.0_level_9_3)	4.0	4.x	5.0	5.0	5.1	5.1
Geometry Shader	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Stream Out	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
DirectCompute / Compute-Shader	nein	nein	nein	teils	teils	ja	ja	ja	ja
Hull Shader	nein	nein	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja
Domain Shader	nein	nein	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja
Tiled Resources	nein	nein	nein	nein	nein	teils	teils	Tier2	Tier2
Conservative Rasterization	nein	nein	nein	nein	nein	nein	teils	teils	Tier1
Rasterizer Order Views	nein	nein	nein	nein	nein	nein	teils	teils	ja
Min/Max Filters	nein	nein	nein	nein	nein	nein	teils	teils	ja
Map Default Buffer	nein	nein	nein	nein	nein	teils	teils	teils	teils
Texture Resource Array	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Cubemap Resoure Arrays	nein	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja
BC4/BC5-Kompression	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
BC6H/BC7 Kompression	nein	nein	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja
Alpha to Coverage	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Erweiterte Formate	ja	ja	ja	teils	teils	ja	ja	ja	ja
10-bit pro Farbkanal	nein	nein	nein	teils	teils	ja	ja	ja	ja
Logische Operationen (Output Merger)	nein	nein	nein	teils	teils	teils	ja	ja	ja
Rasterisierung unabhängig vom Target	nein	nein	nein	nein	nein	nein	ja	ja	ja
Multiple Render Target (MRT) mit ForcedSampleCount 1	nein	nein	nein	teils	teils	teils	ja	ja	ja
Unordered Access View (UAV)-Slots	-	-	-	1	1	8	64	64	64
UAV in jeder Stage	nein	nein	nein	nein	nein	nein	ja	ja	ja
max. ForcedSampleCount beim nur-UAV-Rendern	-	-	-	-	-	8	16	16	16
Constant Buffer Offsets und teilweise Aktualisierungen	ja	ja	ja	teils	teils	teils	ja	ja	ja
Formate mit 16 Bit pro Pixel	teils	teils	teils	teils	teils	teils	ja	ja	ja
max. Texturgröße	2048	2048	4096	8192	8192	16384	16384	16384	16384
max. Cubemapgröße	512	512	4096	8192	8192	16384	16384	16384	16384
max. Volumenausbreitung	256	256	256	2048	2048	2048	2048	2048	2048
max. Texturwiederholungen	128	2048	8192	8192	8192	16384	16384	16384	16384
max. Anisotropie	2	16	16	16	16	16	16	16	16
max. Anzahl Primitive	$2^{16}-1$	$2^{20}-1$	$2^{20}-1$	$2^{32}-1$	$2^{32}-1$	$2^{32}-1$	$2^{32}-1$	$2^{32}-1$	$2^{32}-1$
max. Input Slots	16	16	16	16	32	32	32	32	32
Render Targets simultan	1	1	4	8	8	8	8	8	8
Occlusion Queries	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Separater Alpha-Blend	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Mirror Once	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Überlappende Vertex-Elemente	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Unabhängige Write Masks	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Instancing	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Texturen, die kein Vielfaches von 2 darstellen	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
Constant Buffer	nein	nein	nein	ja	ja	ja	ja	ja	ja
max. Anzahl Constant Buffer je Shader	-	-	-	15	15	15	15	15	15
max. Anzahl Konstanten im Constant Buffer	-	-	-	4096	4096	4096	4096	4096	4096
Index-Buffer Formate	16-bit	16-bit, 32-bit	16-bit, 32-bit	16-bit, 32-bit	16-bit, 32-bit	16-bit, 32-bit	16-bit, 32-bit	16-bit, 32-bit	16-bit, 32-bit

Siehe auch

• Glide
• OpenGL
• AMD Mantle

Literatur

• Uli Theuerjahr: Direct3D Real Time Rendering für Computerspiele. DirectX-Programmierung in C++. Roulio Press, Schönberg 2007, ISBN 978-3-00-022340-2.