1 接口与生命周期#

• 二进制标准：COM 是一种二进制接口标准，允许不同语言（C++, C#等）通过统一的虚函数表（vtable）调用 DirectX 驱动程序功能。
• IUnknown 接口：所有 DirectX 资源（如 ID3D11Device, ID3D11Buffer）均继承自 IUnknown 接口。
• 引用计数 (Reference Counting)：
• DirectX 对象不由 C++ 的 new/delete 关键字管理。
• 生命周期控制：当通过 API（如 D3D11CreateDevice）创建对象时，内部引用计数为 1。每当该对象被赋值或绑定到新的管线阶段时，引用计数可能增加 (AddRef)。
• 内存释放：程序员必须在不再使用对象时调用 Release() 方法。当引用计数归零时，对象自动销毁并释放显存。
• 最佳实践：使用 Microsoft::WRL::ComPtr<T> 智能指针来自动管理 Release() 调用，防止内存泄漏。

1 ID3D11Device (虚拟适配器)#

该接口代表显卡硬件（Video Adapter）的虚拟化实例。

• 核心职责：资源分配 (Resource Allocation)。

• 创建资源（纹理、缓冲区）。

• 创建视图（Views）。

• 创建着色器对象（Shaders）。

• 检查硬件功能等级（Feature Levels）。

• 线程特性：线程安全 (Thread-Safe)。允许多个线程同时调用 Create 系列函数创建资源，内部实现了无锁或细粒度锁机制。

2 ID3D11DeviceContext (设备上下文)#

该接口代表渲染管线的当前状态与命令列表。

• 核心职责：渲染命令发送 (Command Dispatch)。

• 绑定管线状态（Input Layout, Shaders, States）。

• 绑定资源到槽位（Vertex Buffers, Constant Buffers）。

• 执行绘制命令（Draw, Dispatch）。

• 类型：

1. Immediate Context (立即上下文)：直接向 GPU 驱动程序提交命令缓冲区。每个应用程序通常只有一个，非线程安全，必须在主渲染线程使用。
2. Deferred Context (延迟上下文)：将命令录制到命令列表（Command List），随后由立即上下文执行。用于多线程渲染优化。

1. 交换链 (Swap Chain)#

为了避免屏幕刷新时的“撕裂 (Tearing)”现象，图形渲染采用双缓冲 (Double Buffering) 或多缓冲机制。

• Front Buffer (前台缓冲区)：包含当前显示器正在扫描显示的图像数据。对 CPU/GPU 通常是只读的。
• Back Buffer (后台缓冲区)：GPU 正在进行光栅化和像素填充的目标内存。
• Present (呈现)：
• 当一帧绘制完成，调用 IDXGISwapChain::Present。
• Flip Model：DXGI 并不拷贝像素数据，而是直接交换 Front Buffer 和 Back Buffer 的显存指针（Pointer Swap）。此操作在垂直同步（VSync）信号到来时执行，确保画面完整性。

1 规范化设备坐标 (NDC)#

无论场景中的单位是米还是公里，经过投影变换后，可视空间被压缩到一个标准立方体中：

• 坐标范围：

• $X \in [-1, 1]$

• $Y \in [-1, 1]$

• $Z \in [0, 1]$ (DirectX 标准，与 OpenGL 的 [-1, 1] 不同)

• 裁剪 (Clipping)：任何落在此立方体之外的顶点或图元部分，都会被硬件自动丢弃。

• 左手坐标系 (Left-Handed)：DirectX 默认使用左手系（Z 轴指向屏幕内）。

2 拓扑结构 (Primitive Topology)#

定义顶点流如何被解释为几何图形。

• D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST：每三个顶点构成一个独立的三角形。
• Winding Order (绕序)：
• 顺时针 (Clockwise)：通常定义为三角形的正面。
• 逆时针 (Counter-Clockwise)：定义为背面。
• 背面剔除 (Backface Culling)：光栅化阶段会自动丢弃背对摄像机的三角形，以节省像素着色器开销。

1 阶段一：输入装配 (Input Assembler, IA)#

• 输入：

• Vertex Buffer：驻留在显存（Video Memory）中的结构化数据。

• Input Layout：C++ 结构体与 HLSL 输入签名之间的映射描述（如 DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT 对应 float3）。

• 操作：GPU 根据索引缓冲区（如果有）读取顶点，根据拓扑结构组装图元。

2 阶段二：顶点着色器 (Vertex Shader, VS)#

• 输入：单个顶点的属性（Model Space）。

• 核心逻辑：

• 对于 2D/UI 绘制：直接透传坐标（Pass-through），坐标需预先定义在 NDC 空间。

• 对于 3D 绘制：执行 MVP 矩阵变换 ($Projection \times View \times World \times Vertex$)。

• 输出：齐次裁剪空间坐标 float4(x, y, z, w)。

3 阶段三：光栅化 (Rasterizer Stage, RS)#

• 硬件固定功能（不可编程）。
• 视口变换 (Viewport Transform)：将 NDC 坐标 $(x, y)$ 映射到屏幕像素坐标（如 $0 \to 1920$）。
• 插值 (Interpolation)：计算三角形内部像素的属性（颜色、UV、法线）。使用的是重心坐标插值 (Barycentric Interpolation)。

4 阶段四：像素着色器 (Pixel Shader, PS)#

• 输入：插值后的像素属性。
• 核心逻辑：决定像素的最终颜色。可以是简单的常量颜色，也可以是纹理采样结果。
• 输出：float4 颜色向量 (RGBA)。

5 阶段五：输出合并 (Output Merger, OM)#

• 操作：

• 深度/模板测试 (Depth/Stencil Test)：对比当前像素 Z 值与 Depth Buffer。

• 混合 (Blending)：将新计算的像素颜色与 Render Target 上已有的颜色进行混合（用于半透明）。

• 结果：写入 Back Buffer。

1 初始化阶段#

1
// 创建设备与交换链
2
D3D11CreateDeviceAndSwapChain(
3
    nullptr,                    // Adapter
4
    D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE,   // Driver Type
5
    ...,
6
    &device,                    // [OUT] ID3D11Device
7
    &context                    // [OUT] ID3D11DeviceContext
8
);

2 资源创建#

1
// 描述缓冲区属性
2
D3D11_BUFFER_DESC bd = {};
3
bd.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;     // GPU 读写，CPU 不可直接访问
4
bd.ByteWidth = sizeof(Vertex) * 3;  // 总字节数
5
bd.BindFlags = D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER; // 绑定为顶点缓冲
6

7
// 提供初始化数据
8
D3D11_SUBRESOURCE_DATA initData = {};
9
initData.pSysMem = vertices;        // 系统内存指针
10

11
// 创建
12
device->CreateBuffer(&bd, &initData, &vertexBuffer);

3 绘制命令#

1
// 设置管线状态
2
context->IASetInputLayout(layout);
3
context->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
4
context->IASetVertexBuffers(0, 1, &vertexBuffer, &stride, &offset);
5

6
// 设置着色器
7
context->VSSetShader(vertexShader, nullptr, 0);
8
context->PSSetShader(pixelShader, nullptr, 0);
9

10
// 执行绘制
11
// 3: 顶点数量, 0: 起始偏移
12
context->Draw(3, 0);