Какую функцию выполняет Direct3D?

Доброго дня вам, мои уважаемые читатели. Я подготовил для вас очередной сюрприз в виде рассказа о Direct3D, который заинтересует не только геймеров, но и всех желающих разобраться в вопросе: каким образом на плоском экране монитора создается полное ощущение объемного пространства.

Когда утверждают, что за графику в современных играх отвечает Директ Икс – это не совсем корректно. Данный многофункциональный API комплексно решает более глобальные задачи, связанные с со всем мультимедийным контентом. А вот Direct3D (D3D) как раз является составляющим элементом DirectX, отвечающим именно за трехмерную графику.

История, о которой многие не знают

Можно сказать что DirectX появился благодаря D3D. Дело в том, что до 1995 года Microsoft для работы с изображениями пользовался сторонним продуктом OpenGL. И желание создать собственный графический API, подтолкнуло их к разработке Direct 3D и проекта Директ Икс в целом. Но справедливости ради надо отметить, что работы велись не с чистого листа.

Дело в том, что еще в 1992 компания RenderMorphics, основанная и Дугом Рабсоном и Серваном Кеонджяном, добилась серьезных успехов при создании API-интерфейса для медицинского оборудования.

Их детище, названное Reality Lab, эффективно выполняло задачи связанные с САПР и 3D визуализацией. Майкрософт вовремя купил эту компанию, и теперь ее основатели, представляющие наибольшую интеллектуальную ценность, уже трудились над графическим движком для Виндовс 95. А уже в июне 1996 появилась первая DirectX версии 2.0, имевшая в своей комплектации первый полноценный Direct3D 2.0.

Прогресс технологий 3Д визуализации

Естественно, что прогресс не стоял на месте. Конструкторы компьютерного железа предлагали новые решения, постоянно наращивая мощность, быстродействие, количество процессорных ядер и объемы памяти. Вслед за ними стремились и программисты, оптимизирующие и совершенствующие Direct3D.

Дальше я кратко представлю эволюцию D3D:

Версия 3.0 появилась спустя 116 дней после премьеры Direct3D;
четвертая версия ничем существенным не порадовала и даже была отменена.
новинка 5.0 отличилась тем, что было введено разделение на два режима Immediate (непосредственный) и Retained (сохраненный). Они требуют отдельного внимания, и я уделю его позже.
в 1998 отметился прорывом в технологиях компьютерного железа и D3D 6.0 обеспечил взаимодействие с ним;
7.0 предложил обновленный формат .dds и задействовал аппаратную память для вершинных буферов;
Direct 3D 8.0 впервые показал возможности работы с шейдерами;
Директ 3Д 9.0 одна из самых стабильных версий, где работа с шейдерами получила максимум оптимизации и получила высокоуровневый язык описания процессов. И вообще здесь был ряд инновационных новинок для работы с 3D графикой;

множество вариаций 10-ой и 11-ой версий отличились постоянными доработками, связанными с выходом новых операционок, игровых консолей и более современного железа (обо всем и не напишешь);
самой актуальной на сегодня является Direct 3D 12.0. О ней я расскажу немного подробнее.

Direct 3D 12.0 – вершина технологии трехмерной графики

Двенадцатый Директ Х вместе с D3D 12 были представлены в 2015 году в качестве серьезной поддержки Windows 10. Поэтому разработчики реализовали в этом системном API все имеющиеся на тот момент возможности для создания 3D изображений:

оптимизация кода, функций и алгоритмов выразилась в существенном увеличении производительности;

новый подход к использованию многоядерных CPU и GPU и современных графических ускорителей;

видеокарты от разных производителей теперь получили возможность работы в совместном режиме;
снизился уровень аппаратного абстрагирования;
консервативная растеризация оптимизировала процесс определения столкновения и отсечения объектов;
в целом появился инструмент, позволяющий создавать сцены и эффекты высокой сложности

Обычно, новая Direct 3D, не слишком дружелюбна к старому железу. Но здесь разработчики постарались, чтобы обладатели старых видеокарт хоть в какой-то степени ощутили прелести 12-й версии. Это достигается за счет работы отдельно взятых функций и позволяет говорить о частичной поддержке D3D 12.

Перечень GPU, поддерживаемых «двенадцаткой», выглядит так: Intel (Haswell, Broadwell, Skylake), Qualcomm, Nvidia GeForce и AMD Radeon. Понятно, что этой чести удостоились не все, а только самые последние и наиболее производительные представители.

Не забыл Microsoft и о современных гаджетах. Теперь Direct 3D стала родной не только для ПК на Виндовс 10 и консоли Xbox One, но и для планшетов и смартфонов.

Как работает Direct 3D?

Как же работает Директ 3 D? И за счет чего из набора данных образуется картинка виртуальной реальности? Для этого необходимо себе представить инструменты, находящиеся в распоряжении D3D и здесь я вернусь к его режимам.

Immediate Mode (непосредственный) отвечает за аппаратную поддержку, и позволяет разработчику минимально зависеть от используемого ПО. Так же в этом режиме графические примитивы реализуются, минуя буферы выполнения.

А уже за создание самой картинки отвечает сохраненный режим Retained Mode. С его помощью осуществляется программная обработка с помощью множество алгоритмов и методов обработки, среди которых:

Z- и W –буферизация;
буфер трафарета;
пространственное сглаживание;
смешивание цветов и текстур;
альфа-смешивание;
mipmapping;
отсечение и отбраковка;
перспективное текстурное картирование;
имитация атмосферных эффектов;
работа с программируемыми HLSL-шейдерами.

Помимо этого имеется и активная интеграция с другими элементами DirectX и технологиями.

Как формируется изображение?

Некоторые вышеописанные «приемы» D3D могут использоваться на нескольких стадиях обработки. Давайте рассмотрим этот сложный вычислительный процесс создания картинки:

Чтобы описать объект в цифровом виде его сначала необходимо смоделировать. Делается это с помощью триангуляции – разбивки большой сложной поверхности на отдельные плоские треугольники. Координаты каждого их них можно описать математически. Что в свою очередь позволяет применять к ним алгоритм пересчета местоположения при перемещении, деформации или разделении.

Дальше происходит текстурирование – на поверхность одевается «одежда», представляющая собой рисунок (заливку) с определенными свойствами. Она может иметь шероховатость, быть с определенной прозрачностью или зеркальностью (в стекле, например эти свойства совмещаются).
В сцене с готовыми моделями расставляется освещение, определяется яркость поверхностей. Так же здесь может учитываться видимость предметов с учетом их отдаленности.

Когда статическая комбинация готова в работу включаются программы имитирующие перемещение и взаимодействие объектов между собой. А так же с природными и прочими фантастическими силами.
Далее настает очень ответственный момент. Когда вся объемная картинка как бы фотографируется и получается ее плоское изображение. Этот процесс называется рендеринг. И сложность его заключается в том, что все происходит путем математического расчета лучей, идущих от каждого элемента (пикселя) трехмерной сцены. Вычисление производится для каждого кадра. И теперь вы должны понимать, какой мощностью должна обладать видеокарта, чтобы обработать 4K графику с частотой 60 fps. Многие игры поддерживают стерео режим, поэтому rendering производится сразу для двух рядом расположенных точек.

Кроме того в процессе рендеринга так же производится дополнительная обработка изображения — композитинг (делать это на данной стадии намного целесообразнее).

Готовые кадры отправляются в буфер видеопамяти. А от туда, непрерывным цифровым потокам на экран, где мы воспринимаем их уже как красивый захватывающий сюжет.