Windows中Graphics API的发展

内容是本人翻译自Microsoft DirectX SDK Documentation的【Graphics APIs in Windows】

背景

在早期，图形设备接口（GDI）已经成为Windows API主要的编程图形。这个API根据Windows用户界面的经验，被设计来处理大量的2D输出设备。当时，DirectDraw和Direct3D是可替代的API支持全屏游戏和3D渲染的现有的硬件扩展。GDI被设计得很复杂。有效的混合的Direct3D元素和传统GDI的元素被这样的设计限制了。Windows XP的WDM版本，称为XPDM，反映了GDI和Direct3D的并行性（见图1）。

多年来，硬件都以这个功能位主要目标，3D显卡的威力已经迅速增大。一个新的驱动程序模型，Windows Vista显示驱动模型（WDDM）把GPU和Direct3D带到最前沿，创造出全新的体验——3D桌面，将GDI二维世界和现代可编程GPU的力量无缝融合起来。在WDDM下，Video硬件是完全Direct3D驱动，所有其他的图形界面，通过新的Direct3D中心驱动模型，可以与Video硬件进行交互（见图2）。

DirectX 9

DirectX 9版首次发布在Windows 2002上，随后在2003和2004里更新。这个API包含了一个DirectX技术十年发展计划，在DirectX引入的了更强大的着色器编程模型，和对数以千计航运标题出色的支持。Direct3D 9是Windows Vista主要的图形界面。使用API理想是能写出需要广泛利用现有硬件和发布位Windows版本的3D游戏和应用程序。新的驱动程序模型的细节隐藏在Direct3D 9接口中，但在幕后操作系统可以充分发挥GPU威力，提供真正的多任务，更有效的资源管理和性能。

为确保与旧版本的Windows兼容，旧驱动模型的一些内容会被新的Windows Vista显示驱动模型仿真。例如，当一个全屏应用程序失去焦点，它必须丢失它在内存中所有的VRAM和重新加载它创建非托管资源，哪怕新的驱动程序模型直接管理资源而不需要从设备上下文。甚至整个管理概念与默认的资源类型都是依照旧驱动模型来设计。另一个例子是期望失败时分配在VRAM总量过剩的非托管资源（默认池），即使新的驱动程序模型可以提供几乎无限的虚拟内存。所以，Direct3D应用程序在Windows Vista运行仍然会收到这些错误状态。因此，他们在使基本的Direct3D 9接口，充分利用新的驱动程序模型的一些特征的能力还是有限的。

新系统将包括航运与Windows Vista WDDM显卡，和一些流行的显卡的新驱动程序包括在一个系统中，Windows Vista也继续支持旧的XPDM驱动程序版本升级和企业的能力。在使用旧的驱动程序模型系统中，Direct3D 9及以上的接口会被使用，还有图形系统的操作与Windows XP非常类似（图1）。WDDM要求应用使用Direct3D 9ex，Direct3D 10或以上的版本。

Direct3D 9Ex

Direct3D 9ex接口提供了对标准的Direct3D 9 API的轻微扩展，就是把虚拟资源的分配透明化，新lost device semantics，和其他一些可在Windows Vista上运行的新功能。通过这个扩展对象，Direct3D 9 API使用新的semantics，因此应用程序需要使用不同的逻辑的（和不同的代码路径）管理，创建资源，和处理错误。这个API只能在Windows Vista中并且拥有WDDM设备下才能运行。因为Direct3D 9ex相对于Direct3D 9，使用了一个单独的API和驱动代码路径，支持这个API需要额外的测试用例应用程序。

创建新的Direct3D 9ex API主要原因是允许完全访问WDDM的新能力同时兼容存在的Direct3D程序。新的3D桌面和Windows Vista应用程序使可以用这个版本的Direct3D 9，同时他们在老的XPDM驱动运行依然能正常运行。由于缺乏对WDDM的支持，Direct3D API 9ex永远不会出现在旧版本的Windows，所以标准的Direct3D 9接口覆盖的系统更广泛。为了下一代高性能应用能够利用Video硬件，全新的Direct3D 10版本提供了许多新的功能，这是Direct3D 9Ex所不具有的。因此，游戏和其他应用程序推荐使用Direct3D 9或10。

Direct3D 10

充分认识到新的Windows Vista的驱动程序模型和下一代硬件的潜力，一个全新版本的Direct3D API诞生了。因为WDDM限制在现有的图形系统性能，Direct3D 10进一步去除现有Direct3D API中的设计瓶颈，极大地简化了编程的GPU。

新的API完全消除了几乎所有固定化的功能，取而代之的是可编程的结构和被大大简化的内部实现。在以前版本的Direct3D数百capability bits已被完全消除，取而代之的是一个明确的，包容的功能集，只有几个可选的场景资源格式的特定用法。CPU密集型资源的创建和验证有了新的API语义。这允许更可预测的性能，大大降低了每次渲染的开销。资源可以重新配置成多种形式去满足在不同阶段的使用效率，和特征集对格式的使用情况有更少的限制。也有一些新的块压缩的normal-map格式。

在新的API中，着色器常数和设备状态是显式的资源，允许更高效的Cache和简化驱动验证。可编程着色器模型已统一在顶点和像素着色器之间，使得计算模型和操作集更具表现力。同时，一个新的几何着色器被添加到顶点着色器后。在顶点和管道几何着色器阶段，GPU工作的结果可以作为视频RAM重用，允许的多做极为复杂的编程可能，使得GPU和CPU良好合作。

所有这些改进使下一代图形技术和应用能去把工作分摊给GPU。它将允许更复杂且基于GPU的角色蒙皮技术，加速变形技术，体积阴影生成和挤压，粒子物理的系统是完全基于GPU的，更复杂的材料组合成高效的大批量程序绘制，程序的详细说明，实时光线跟踪的位移映射，单通道立体图生成，和许多技术，可以为应用程序腾出更多的CPU资源。

要提供这种级别的Direct3D 10的功能，旧硬件不能作为一个新接口的实现。显卡要是能够支持全部新特点，就不是Direct3D 10可用显卡。因此，Direct3D 9可以驱动许多directx7时代的硬件驱动，使用不再支持的capability bits和固定编程用法，Direct3D 10只适用于新一代的显卡。要使一个应用程序支持旧的Video硬件，它必须支持Direct3D 9接口。Direct3D的未来版本将建立在版本10，扩展到新的API的版本的同时，保证一个严格的Direct3D 10功能的超集。

Direct3D 10.1

Windows Vista Service Pack 1延伸的Direct3D 10 API与Direct3D 10.1，增加了可选的接口和着色模型，以支持新的支持Direct3D 10.1显卡硬件。所有的硬件能够支持Direct3D 10.1，更完全支持Direct3D 10的所有功能，以及游戏开发者可以利用Direct3D 10.1可用的额外功能。

Direct3D 11

Windows 7支持新修订的，建立在Direct3D 10.1 API设计的Direct3D，Direct3D 11。该API的新功能包含了多线程渲染和资源的创建，计算着色，支持10level9特征级别和WARP10渲染器软件，而且，新的Direct3D 11级硬件功能，如Tessellation及Domain Shader，BC6h和BC7纹理压缩格式，着Shader Modle5.0，和Dynamic Shader Linkage。新的API可以使用现有的Direct3D 10和10.1级的显卡，一些通过10level9特征能达到一定限度功能支持的Direct3D 9卡，以及新一代的Direct3D 11类显卡。

此外，Direct3D 11 API，Windows 7包括DXGI 1.1，Direct2D，DirectWrite，并支持WDDM 1.1驱动程序。