direct3d-msaa-抗锯齿算法-教程-涉及概念解析

文章目录

• • 1.交换链
  • 2.表面
  • 3.IDXGIFactory
  • 4.ID3D10RasterizerState
  • 5.ID3D10Resource
  • 6.交换链GetBuffer函数
  • 7.ID3D10Device中ResolveSubresource函数
  • 8.IDXGISurface
  • 9.ID2D1RenderTarget中的CreateSharedBitmap函数
  • 10.ID3D10RenderTargetView

1.交换链

交换链（Swap Chain）在计算机图形学和窗口系统中是一个核心概念，它主要用于管理一组缓冲区（通常是帧缓冲区），这些缓冲区用于存储渲染的图像，并且有序地与屏幕显示进行交替更新。

窗口系统中的交换链： 在Windows、Linux等操作系统上的窗口环境中，交换链与图形API（如Direct3D、OpenGL或Vulkan）配合使用，允许应用程序将渲染结果从后台缓冲区"交换"到前台缓冲区，从而实现连续的动画效果。每次交换时，屏幕上显示的内容就会被新渲染的图像替换。

图形API中的交换链：

Vulkan：在Vulkan API中，交换链是由VkSwapchainKHR对象表示的，它维护了一系列可用于呈现目的的图像，并与特定窗口系统表面关联。应用程序通过创建交换链来控制如何将渲染后的图像提交到屏幕上，以及如何处理垂直同步（VSync）、多缓冲和其他显示相关的行为。

DirectX：在Direct3D中也有类似的机制，其中交换链涉及多个后备缓冲区的管理和切换，以确保平滑的帧呈现。

OpenGL：虽然OpenGL没有直接提供交换链的概念，但开发者通常需要间接通过GLX（X Window System上）或WGL（Windows平台上）等窗口系统绑定接口来管理多重缓冲区交换。

交换链的核心功能包括：

管理一个或多个缓冲区，通常至少包含一个正在显示的前端缓冲区和一个或多个用于准备下一次绘制的后台缓冲区。

提供一种机制来协调渲染操作与显示器的刷新率，减少画面撕裂现象。

支持同步点，以便在特定时机执行交换操作，比如等待垂直同步信号。

在不同的硬件配置和显示需求下能够灵活调整其配置参数，例如分辨率、颜色深度和缓冲模式等。

2.表面

在计算机图形学和窗口系统中，"表面"（Surface）是一个抽象概念，通常代表一个用于渲染或显示图像的区域。具体含义根据上下文可能有所不同，但以下是一些常见的用法：

窗口表面： 在操作系统提供的窗口系统中，表面可以指代一个应用程序创建的窗口，这个窗口拥有一个可由图形API操作的像素缓冲区，用于绘制图形和文本。例如，在Windows上，HWND（窗口句柄）所关联的窗口表面就可以用来承载Direct3D或者OpenGL中的渲染内容。
绘图表面： 在图形API中，表面可能是指一块内存区域，它可以是显存的一部分，用于存储渲染结果。例如，在某些图形库中，一个"表面"可以是纹理、帧缓冲对象（Framebuffer Object, FBO）、渲染目标（Render Target）等，它们都是可以被GPU读写以进行渲染的目的地。
交换链中的表面： 在Vulkan这样的现代图形API中，"表面"（Surface）是一个更具体的实体，它连接了原生窗口系统与Vulkan实例，定义了一个可以在其上创建swap chain（交换链）的位置。Vulkan SurfaceKHR就是一个例子，它代表了一个平台特定的、可用于呈现的输出区域，如Windows窗口或X Window System上的窗口。
硬件加速表面： 在某些情况下，表面也可能指物理设备（如显示器）上的显示区域，特别是当讨论硬件加速图形时，它可以直接对应到GPU能够直接写入并控制显示更新的物理区域。
离屏表面： 除了屏幕显示之外，还有非显示的离屏表面，这类表面常用于渲染中间结果，作为多阶段渲染流水线的一部分，不直接呈现在屏幕上。

综上所述，"表面"是图形编程中描述图像数据存储和展示位置的一个关键概念，它的具体实现取决于底层的操作系统和图形API。

3.IDXGIFactory

IDXGIFactory 是 DirectX Graphics Infrastructure (DXGI) 接口的一个重要部分，它是Microsoft Windows操作系统中用于管理图形硬件资源和创建 DXGI 对象的核心组件。IDXGIFactory 提供了一系列方法来创建和管理与Direct3D相关的对象，尤其是交换链（Swap Chains），这些对象在图形渲染过程中起到了至关重要的作用。

具体用途包括：

1. 适配器枚举 ：

   IDXGIFactory 可以枚举系统中的所有显示适配器（显卡）。通过 EnumAdapters 方法，应用程序可以获取到可用的GPU设备列表，并根据需要选择合适的适配器来初始化Direct3D设备或其他图形处理资源。

2. 创建交换链 ：

   使用IDXGIFactory能够创建IDXGISwapChain实例，这是在窗口中实现双缓冲或多缓冲技术的关键。例如，在全屏模式下切换或窗口模式下渲染时，都需要用到交换链来管理多个后台缓冲区并控制其呈现到前台的过程。

3. 窗口关联 ：

   通过 MakeWindowAssociation 方法，开发者可以设置工厂与特定窗口的关系，比如禁止 DXGI 自动处理某些窗口消息，或者指定某个窗口不应当由当前工厂创建的交换链进行全屏转换。

4. 多监视器支持 ：

   IDXGIFactory 支持对多显示器环境的操作，允许应用程序检测和利用系统的多个显示输出，并可以在不同显示器上创建独立的渲染目标。

5. 版本兼容性 ：

   在后续的DXGI版本中，如IDXGIFactory1、IDXGIFactory2等，增加了更多高级功能，比如支持更现代的交换链描述符结构体、自适应刷新率同步、Tearing支持以及对于新特性的硬件查询等。

总之，IDXGIFactory是DirectX编程中用来初始化和管理图形硬件上下文的重要接口，为应用程序提供了一种标准化的方式来与Windows图形子系统交互，从而实现高效、灵活的图形渲染和显示。

4.ID3D10RasterizerState

ID3D10RasterizerState 是 Microsoft DirectX 10 API 中的一个接口，用于定义光栅化阶段的状态。在图形渲染管线中，光栅化阶段是将几何数据（如三角形）转换为屏幕上像素的过程，包括确定哪些像素位于几何体的正面或背面，执行裁剪、透视除法和视口变换等操作。

具体用途包括：

1. 填充模式 ：

   定义如何绘制三角形的内部区域，可以设置为点状填充、线框填充或者各种类型的面填充（例如，实心、wireframe 或点状）。

2. 裁剪行为 ：

   确定超出视口范围的三角形是否应该被裁剪掉，以及如何处理正反面裁剪。

3. 多边形偏移 ：

   控制在深度测试时，多边形边缘的深度值如何调整以避免Z-fighting（即由于浮点精度限制导致的两个相邻面在深度缓冲区中的冲突）。

4. 前后裁剪 ：

   设置是否仅绘制正面朝向相机的多边形，或者同时绘制正反两面。

5. 深度偏移 ：

   对于需要额外深度偏移的应用场景，可以通过该状态来调整每个像素的深度值。

6. 线宽 ：

   当使用线框模式时，可以设置线段的宽度。

通过创建并应用不同的 ID3D10RasterizerState 对象，应用程序可以根据需求动态更改这些状态，从而实现不同的视觉效果或优化渲染过程。例如，在调试模式下可能希望显示模型的线框表示，而在最终渲染时则采用实心填充模式。此外，对于透明物体或特定光照条件下的物体，可能需要启用背面剔除以提高性能。

5.ID3D10Resource

ID3D10Resource 是 DirectX 10 API 中的一个核心接口，它是所有可绘制资源（如纹理、顶点缓冲区、索引缓冲区、常量缓冲区等）的基类。在图形编程中，资源是GPU可以读取和写入的数据结构，它们存储着渲染所需的几何数据、纹理贴图以及其他各种数据。

具体用途包括：

1. 纹理资源 ：

   存储图像数据，这些数据可以在像素着色器阶段用于采样颜色、法线、高度图或其他纹理信息。

2. 顶点缓冲区 ：

   包含顶点数据，如位置、颜色、纹理坐标和法线，这些数据会在光栅化阶段被处理，用于构建和渲染3D模型。

3. 索引缓冲区 ：

   存储顶点索引，用来定义如何通过索引连接顶点以形成三角形或多边形面片。

4. 常量缓冲区 ：

   存储着色器程序中的常量数据，如变换矩阵、光照参数或任何其他需要频繁更新并传递给GPU的数据。

5. Structured Buffers ：

   结构化缓冲区，可以存储结构化的数据集合，以便在计算着色器中进行高效的数据访问。

6. Unordered Access Views (UAV) ：

   在DirectX 10中虽然没有直接提供UAV接口，但在后续版本中成为一个重要特性，允许Shader直接读写资源。

7. RenderTarget/Depth-Stencil Buffer ：

   资源也可以用作渲染目标或深度模板缓冲区，在帧缓冲输出阶段记录像素的颜色和深度信息。

ID3D10Resource 提供了创建、销毁以及对资源进行基本操作的方法，例如映射到系统内存以进行读写、解映射、获取资源描述等。应用程序通常不会直接使用 ID3D10Resource 接口，而是会根据具体的资源类型来使用其派生的接口，如 ID3D10Texture2D 或 ID3D10Buffer 等。

6.交换链GetBuffer函数

在DirectX编程中，交换链（Swap Chain）是一个核心组件，它管理着一连串的缓冲区，这些缓冲区用于渲染输出并最终显示到屏幕上。IDXGISwapChain::GetBuffer 是一个方法，用于获取交换链中某个缓冲区的接口指针。

具体来说，当调用 IDXGISwapChain::GetBuffer(UINT buffer, REFIID riid, void** ppSurface) 时：

• 参数buffer：表示要获取的缓冲区索引。对于大多数常规用途，这个值通常是0，因为这是后台缓冲区（Back Buffer），即最后绘制帧的地方。

• 参数riid ：这是一个引用到接口标识符（Interface ID）的引用，通常指向的是你想要得到的特定资源接口类型，比如 IID_ID3D11Texture2D 或 IID_ID3D10Resource 等，这取决于你的DirectX版本和需求。

• 参数ppSurface ：这是一个输出参数，用于接收实际缓冲区对象的指针。例如，在DirectX 11中，如果你请求的是 ID3D11Texture2D 接口，那么这个参数将被填充为指向该纹理对象的指针。

调用 GetBuffer 方法后，开发者可以进一步操作获取到的资源，如创建渲染目标视图（RenderTarget View）、深度 stencil视图（Depth Stencil View），或者进行其他与GPU相关的数据操作。例如，创建渲染目标视图是为了让渲染管线能够向缓冲区中写入渲染结果，准备用于交换和显示到屏幕上的过程。

7.ID3D10Device中ResolveSubresource函数

ID3D10Device::ResolveSubresource 是 DirectX 10 中的一个方法，用于执行资源（如纹理）的子资源解析操作。该函数主要用于将一个多采样（MSAA, Multi-Sampling Anti-Aliasing）资源的内容无损地合并到一个非多采样的目标资源中。

函数原型如下：

void ID3D10Device::ResolveSubresource(
  ID3D10Resource *pDstResource,
  UINT DstSubresource,
  ID3D10Resource *pSrcResource,
  UINT SrcSubresource,
  DXGI_FORMAT Format
);

m_pDevice->ResolveSubresource(
            m_pLoupeTexture,
            0, // DstSubresource
            pBackBufferResource,
            0, // SrcSubresource,
            DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM
            );

参数说明：

• pDstResource：指向目标资源的指针，通常是一个非多采样的纹理或缓冲区。
• DstSubresource：目标资源中的子资源索引，包括 mip 级别和数组切片（如果适用）。
• pSrcResource：源资源的指针，通常是一个有多采样能力的纹理或缓冲区。
• SrcSubresource：源资源中的子资源索引，同样包括 mip 级别和数组切片信息。
• Format：用于解析操作的格式，必须与目标和源子资源在指定 mip 级别的格式兼容。

这个函数常用于渲染管线后阶段，当你需要从一个多采样的深度/模板缓冲或者颜色缓冲读取数据时，因为多采样缓冲不能直接进行所有类型的读取操作，需要先将其内容解析到单采样的缓冲中才能进一步处理。

8.IDXGISurface

IDXGISurface 是 DirectX Graphics Infrastructure (DXGI) 接口中的一个核心接口，主要用于表示可以直接由 GPU 访问和操作的位图图像数据。它代表了一块可以直接渲染或读写的图形内存区域，通常与显示输出或者应用程序所需的离屏渲染资源相关联。

以下是 IDXGISurface 接口的主要用途：

1. 渲染目标（RenderTarget）：作为 Direct3D 渲染管线的一部分，可以将 IDXGISurface 创建为 ID3D11Texture2D 或其他类型的纹理，并进一步创建渲染目标视图，这样就可以直接在表面进行渲染操作，例如绘制场景、应用着色器等。

2. 硬件加速的 GDI 绘制：IDXGISurface 可以被 Windows 图形设备接口 (GDI) 使用，通过兼容性层实现对 DXGI 表面的直接绘制，这在需要混合使用 DirectX 渲染和 GDI 的应用程序中非常有用。

3. 交换链缓冲区：在 Direct3D 应用程序中，交换链（Swap Chain）包含一系列后台缓冲区，这些缓冲区实际上是 IDXGISurface 接口的实例。应用程序会在后台缓冲区上完成渲染后，通过调用 Present 方法将其内容交换到前台显示。

4. 视频播放和捕获：在多媒体应用中，IDXGISurface 用于直接访问视频解码后的帧数据，便于高效地进行视频播放或者视频捕获处理。

5. 跨进程共享：IDXGISurface 支持跨进程之间的共享，这意味着不同进程可以通过共享该表面来协同工作，比如在一个进程中渲染然后在另一个进程中显示结果。

6. 硬件优化的数据传输：它可以用于快速且高效的数据传输，例如从摄像头或其他硬件源获取原始图像数据，或者用于将渲染结果传递给特定的硬件加速功能模块。

总之，IDXGISurface 提供了一个统一的、底层的图形资源抽象，使得DirectX编程能够有效地管理和利用显存中的位图数据，实现高性能的图形渲染和处理。

9.ID2D1RenderTarget中的CreateSharedBitmap函数

ID2D1RenderTarget::CreateSharedBitmap 是 Direct2D API 中的一个方法，它允许将一个已存在的 IDXGISurface 对象转换为 ID2D1Bitmap，这个创建的 ID2D1Bitmap 与底层的 IDXGISurface 共享同一块内存。这样做可以实现不同图形子系统之间的数据共享和高效渲染。

具体来说，当你有一个基于 DXGI 的资源（例如来自视频捕获、硬件解码或者 Direct3D 渲染目标），并且希望在 Direct2D 环境中使用它作为绘制内容时，可以调用 CreateSharedBitmap 方法。该方法接受一个 IID 指向 IDXGISurface 接口的指针，并返回一个 ID2D1Bitmap 接口指针。

通过这种方式创建的 ID2D1Bitmap 可以直接被用于 Direct2D 的绘图操作，如 DrawBitmap 或者 FillOpacityMask，同时保持与原 IDXGISurface 内容的同步更新，因为它们共享相同的 GPU 内存区域。

以下是 CreateSharedBitmap 方法的基本签名：

HRESULT CreateSharedBitmap(
    [in]  REFIID                     riid,
    [in]  void                      *data,
    [in]  const D2D1_BITMAP_PROPERTIES1 *bitmapProperties,
    [out] ID2D1Bitmap1             **bitmap
);

其中：

• riid：指向要转换为共享位图的接口的标识符，对于 IDXGISurface 应为 IID_IDXGISurface.
• data：指向实际 IDXGISurface 对象的指针。
• bitmapProperties：指定新创建的 ID2D1Bitmap 的属性，比如像素格式等。
• bitmap：输出参数，接收创建的新 ID2D1Bitmap 的指针。

10.ID3D10RenderTargetView

ID3D10RenderTargetView 是 DirectX 10 API 中的一个接口，它代表了一个渲染目标视图（RenderTarget View），用于将图形数据输出到指定的资源上，通常是颜色缓冲区。在DirectX中，渲染目标是GPU渲染管线中的一个关键部分，在每帧绘制过程中，所有最终像素都将被写入到当前绑定的渲染目标。

具体用途包括：

1. 帧缓冲输出：在实时渲染中，ID3D10RenderTargetView 通常用来指定帧缓存（Frame Buffer）的颜色附件，即每一帧结束后显示在屏幕上的图像。

2. 多通道渲染：可以创建多个渲染目标视图，并同时绑定到不同的渲染目标槽位，实现多重渲染输出，例如进行光栅化后的颜色、深度、模板信息等分别存储。

3. 后期处理效果：在图形流水线中，可以利用多个渲染目标来执行复杂的后期处理操作，比如HDR（高动态范围）渲染、模糊、反走样等效果，每个阶段的结果都会被写入不同的渲染目标，然后再组合在一起。

4. G-Buffer生成：在Deferred Shading或Forward+渲染技术中，会先将场景的各种属性（如位置、法线、颜色、材质等）分别渲染到不同的纹理中，这些纹理就是通过不同ID3D10RenderTargetView绑定和填充的。

5. MRT（Multiple Render Targets）：同时向多个渲染目标写入数据，以提高渲染效率或者实现某些特殊效果。

使用时，开发人员需要调用 ID3D10Device::OMSetRenderTargets 方法来设置活动的渲染目标视图，从而确定GPU渲染结果的目的地。