Компьютерная графика — обширная и быстроразвивающаяся дисциплина. С каждым годом интерфейсы прикладного программирования становятся более гибкими, что позволяет на их основе реализовывать более сложные алгоритмы формирования и обработки изображений. Однако возможности интерактивной графики не достигли уровня пакетов 3d-моделирования и визуализации. Все это подталкивает к активным исследованиям в данной области.

DirectX 12 — компонент интерфейса программирования высокопроизводительной графики. Основные цели нового интерфейса — снижение CPU-оверхеда драйвера, понижение уровня абстрагирования оборудования, возможность объединения графических карт на уровне API (до этого существовали только vender-specific решения CrossFireX, NVIDIA SLI). Официально выпущен Microsoft в июле 2015.

Статья рассчитана на тех, кто уже работал с графическими библиотеками (OpenGL, DirectX 11). Однако для людей, которые планирует начать изучение графики именно с 12 версии возможно тоже будет полезной.

В ней мы рассмотрим следующие темы:

• Окружение
• Краткое описание графического пайплайна
• Новые возможности DirectX 12
  
  1. Состояния
  2. Команды
  3. Синхронизация
  4. Прикрепление ресурсов

Окружение

DirectX 12 является частью Windows SDK в Windows 10. В качестве IDE используем Visual Studio, язык программирования C++. Для работы с DirectX, необходимо подключить хедеры d3d12.h dxgi1_6.h и библиотеки d3d12.lib, dxguid.lib, dxgi.lib, d3dcompiler.lib. Все это лежит в стандартных каталогах Windows SDK. Так же распространяется "D3D12 Helper Library" в виде одного заголовочного файла d3dx12.h, она позволяет сократить количество boilerplate кода. Его можно просто скачать по адресу d3dx12.h и вложить в проект.

Краткое описание графического пайплайна

В основе графической библиотеки лежат функции рисования, которые запускают графический конвейер — программно-аппаратное средство визуализации трехмерной графики. Аппаратная составляющая представлена видеоадаптером, программная — драйвером. Графический конвейер можно представить в виде черного ящика, разделенного на этапы и выполняющего необходимые преобразования. Содержимое этого черного ящика может быть различным. Выполняемые преобразования зависят от назначения графической системы, стоимости, требуемого уровня универсальности и многих других факторов. Также, конкретный видеоадаптер — сложный механизм, правила работы которого зачастую известны лишь непосредственно производителю.

Итак, на сегодняшний день процесс визуализации трехмерной сцены выглядит в общих чертах следующим образом.

Преобразование вершин

Каждая вершина имеет определенный набор атрибутов таких, как позиция, цвет, текстурные координаты, вектор нормали или все векторы из касательного пространства и, возможно, некоторые другие. Трансформация вершин — это первая стадия графического конвейера. На этом этапе входными данными являются атрибуты конкретной вершины, над которыми производятся математические преобразования. Эти операции включают трансформацию позиции вершины, генерацию и преобразование текстурных координат, расчет освещения для каждой отдельной вершины, а также любые другие операции, которые необходимо выполнить на уровне вершин. Каждая вершина обрабатывается параллельно с другими вершинами на доступных ядрах графического ускорителя. Основной результат вершинной программы — преобразовать координаты из модельного пространства в специальное пространство отсечения (clip space).

Построение примитивов и растеризация

Входные данные этого этапа — трансформированные вершины, а также информация о их соединении. Из этих данных осуществляется сборка геометрических примитивов. В результате получается последовательность треугольников, линий или точек. Над этими примитивами может производиться отсечение плоскостям, определенными в программе. Также на этом этапе могут быть отброшены задние треугольники объектов. Определяются эти треугольники по направлению обхода вершин (по часовой стрелке или против). Какое направление обхода соответствует заднему треугольнику задается через графическое API. Полигоны, прошедшие отсечение, могут растеризироваться.

Текстурирование и окрашивание

Над атрибутами примитивов, растеризированных в набор фрагментов, на этой стадии проводится необходимая интерполяция, а также последовательность математических преобразований и операций текстурирования, что определяет конечный цвет каждого фрагмента. Также на этом этапе может определяться новая глубина или даже исключение фрагмента из буфера кадра.

Пофрагментные операции

На этом этапе проводится ряд пофрагментных тестов, таких как тест отсечения (scissor test), тест трафарета (stencil test) и тест глубины (depth test). Эти тесты определяют конечный вид, цвет и глубину фрагмента перед обновлением экранного буфера. Если какой-либо тест проходит с ошибкой, то фрагмент не обновляется. После тестов выполняется операция смешивания, которая комбинирует финальный цвет фрагмента с текущим цветом пиксела, а итоговый результат записывается в экранный буфер. Операция смешивания выполняется на этом этапе, поскольку стадия текстурирования и окрашивания не имеют доступа к экранному буферу.

Более детальное устройство конвейера можно посмотреть в спецификации DirectX 11 (документ по DiretcX 12 затрагивает лишь изменения с предыдущей версией)

Новые возможности DirectX 12

Мы переходим от теоретической части непосредственно к описанию конкретных возможностей DirectX 12.

Состояния

В 11 версии программистам известны различные функции изменения состояний графического ускорителя: RSSetState(), OMSetDepthStencilState(), OMSetBlendState(). Оказалось, что такой подход плохо ложится на оборудование. В конечном итоге драйвер устанавливает адаптеру одно монолитное состояние, а отдельные вызовы или некоторые комбинации состояний могли приводить к непредсказуемым задержкам со стороны драйвера. В новой версии инженеры переосмыслили этот подход и исключили атомарное изменений состояний, теперь они объединены в одно — PSO (Pipeline State Object). Такое нововведение кажется более удобным со стороны пользователя: теперь не нужно беспокоиться о "висячих состояниях", которые остались с прошлых проходов. Более того, для лучшей эффективности установки, теперь дополнительно требуется передавать информацию о всех прикрепленных ресурсах в шейдер через Root Signature (об этом ниже).

Команды

В ранних версиях пользователи отправляли команды через так называемый immideate context. Под капотом создавались отложенные командные очереди и по мере заполнения отправлялись оборудованию. Необходимо отметить, что в DirectX 11 существует возможность создания deferred context. В DirectX 12 immideate context был исключен и deferred концепция стала основной. Теперь программист должен заполнить deferred command list, и в необходимый момент отправить его на исполнение.

Таким образом, реализация двойной и тройной буферизаций теперь выглядит более явно: создаются соответствующее количество command list, как только они заполнены, CPU переходит в режим ожидания свободного листа.

Здесь же стоит упомянуть о ресурсах, которые прикреплены к конкретному командному листу. Теперь удаление ресурса, использующегося на GPU, ведет к непредсказуемым последствиям. Например, раньше легально было выполнить Release() для текстуры которая еще используются — драйвер автоматически отследит, когда ресурс перестанет использоваться и только после этого удалит его.

Синхронизация

Для возможности отслеживания работы GPU, DirectX 12 предоставляет концепцию fence, которая инкапсулирована объектом ID3D12Fence интерфейсом. Fence — это целое число, которое представляет выполненную работу GPU на текущий момент. Сначала происходит эмитинг следующего «свободного» значения, вызывая ID3D12CommandQueue::Signal() в командной очереди. Затем с помощью ID3D12Fence::SetEventOnCompletion(UINT64 Value, HANDLE hEvent) происходит ассоциирование значения с примитивом winapi event. Теперь поток с помощью WaitForSingleObject() над подготовленным event-ом может приостановить выполнение до момента выполнения всей работы, предшествующий контрольному значению. Как только вся работа на GPU выполнится, значение в fence обновится, вызов WaitForSingleObject() разблокируется и поток продолжит выполнение.

Прикрепление ресурсов

Биндинг ресурсов в шейдер — одна из самых запутанных тем современного DirectX.

Обзор

В DirectX 11 использовалась следующая модель биндинга: каждый ресурс устанавливался в шейдер соответствующим вызовом API. Например, для установки двух текстур (если не задумываться о семплерах) в 5 и 6 слоты пиксельного шейдера применялся следующий код:

ID3D11ShaderResourceView* srvs[] = { 
    texture1->GetShaderResourceView();
    texture2->GetShaderResourceView();
};
context->PSSetShaderResources(5, 2, srvs);

Где GetShaderResourceView() возвращает указатель на объект типа ID3D11ShaderResourceView.
В шейдере затем текстуры использовались так:

Texture2D texture1 : register(t5);
Texture2D texture2 : register(t6);

Такая система достаточно удобная со стороны программиста, но с точки зрения графического ускорителя нет. Допустим, нам необходимо прикрепить текстуру на чтение в шейдере. Как должна быть передана информация о текстуре? Если мы заглянем в документацию GCN ISA, найдем следующий параграф:

All vector memory operations use an image resource constant (T#) that is a 128- or 256-bit value in SGPRs. This constant is sent to the texture cache when the instruction is executed. This constant defines the address, data format, and characteristics of the surface in memory.

Это означает, что для того чтобы описать текстуру, нам нужен этот небольшой дескриптор (128 или 256-битный), который нужно поместить в любое место памяти. Если мы прочтем остальную часть документации, мы заметим, что этот же шаблон также используется для всех других типов ресурсов. Фактически, когда дело доходит до доступа к ресурсу, понятие «слот» бессмысленно. Графический адаптер оперирует дескрипторами: текстуры (T#), сэмплера (S#) или константы (V#). С Direct3D 12 эти дескрипторы, наконец, отображаются непосредственно на дескрипторы оборудования — некоторая память GPU.

Дескрипторы

Сейчас ресурсы не прикрепляются в графический пайплайн прямо через вызовы методов, прикрепление происходит опосредовано через дескрипторы. Дескриптор — небольшой кусочек памяти, который содержит информацию о ресурсе (GPU виртуальный адрес, и, например, количество мипов, формат). Множество дескрипторов хранятся в дескрипторной куче — это просто массив дескрипторов фиксированного размера. Дескрипторные кучи могут содержать информацию о разных типах ресурсов:

• Constant buffer views (CBVs)
• Unordered access views (UAVs)
• Shader resource views (SRVs)
• Samplers

CBVs, UAVs, SRVs могут содержаться в одной дескрипторной куче, а описания семплеров — в отдельной. Это разделение выражает тот факт, что семплеры в ускорителе обрабатываются отдельно.

Выше мы упомянули так называемые shader visible ресурсы. Соответственно, существуют non shader visible ресурсы:

• Render Target Views (RTVs)
• Depth Stencil Views (DSVs)
• Stream Output Views (SOVs)

Такие views ресурсов предназначаются только для прикрепления ресурса в пайплан (но не для использования в шейдере), и поэтому их нужно создавать в отдельной non shader visible дескрипторной куче (это задается флагом D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAGS::D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_SHADER_VISIBLE при создании кучи).

Есть еще одна группа view's, для которых дескрипторы (и, соответственно, дескрипторная куча) не требуются:

• Index Buffer View (IBV)
• Vertex Buffer View (VBV)

Представлены типами D3D12_INDEX_BUFFER_VIEW и D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW соответственно. То есть описания индексных и вершинных буферов содержатся в указанных выше структурах и затем передаются напрямую в Pipeline State Object. Вся память в PSO автоматически версионируется драйвером.

Таким образом, теперь вместо создания множества объектов типа ID3D11...View, мы создаем дескрипторы в дескрипторной куче.

Root signature

Root signature — объект DirectX 12 API который задает соответствие лэйаута дескрипторов и данных в слоты шейдера. Это, в некотором смысле, действительно сигнатура шейдера только с точки зрения использования ресурсов. Root signature не содержит конкретных дескрипторов и данных, она лишь задает лэйаут (устройство) дескрипторов, которые биндятся уже позднее на этапе рендеринга.

Root signature состоит из массив записей, которые называются root parameter. Действительные данные root parameter устанавливаются в рантайме и называются root arguments. Меняя root argument, меняются данные которые читает шейдер. Root parameter бывают трех типов:

• Root constants (1 DWORD == 32bit value)
• Inline descriptors (так как 64-bit GPU virtual addresses, стоит 2 DWORDs каждый)
• Таблица дескрипторов (1 DWORD)

Максимальный размер root signature — 64 DWORDs. Типы отсортированы по возрастанию уровня косвенности доступа ресурса в шейдере, но по убыванию возможностей.

Root constant это встроенное в root signature 32-битное значение, которое используется в шейдере как constant buffer. Предназначается для наиболее активно изменяющихся констант (например, MVP матрицы), но имеет жесткие ограничения на максимальный размер (всего поместится 4 матрицы). Так же такие данные доступны в шейдере с нулевым уровнем косвенности, и имеют более быстрый доступ чем все остальные способы. Полностью версионируются драйвером: их можно "установить и забыть".

Приложение может поместить дескрипторы напрямую в root signature во избежании хранения дескрипторов в куче дескрипторов — это второй способ inline descriptors. Пример таких данных — константа per object. Таким образом, не нужно беспокоиться о свободном месте в куче дескрипторов. Имеет первый уровень косвенности. Версионируется сам дескриптор (то есть описание ресурса), но ресурс который описывает этот дескриптор должен быть доступен до завершения его использования на GPU. Установка конкретных данных производится, например, методом ID3D12GraphicsCommandList::SetGraphicsRootConstantBufferView, в него передается индекс root parameter нашего inline descriptor и виртуальный адрес буфера.

Мы подошли к третьему, основному и универсальному способу прикрепления ресурсов. Таблица дескрипторов содержит массив descriptor range. Descriptor range — описание непрерывной цепочки дескрипторов определенного типа. Описание одной записи в таблицы дескрипторов проще показать кодом:

typedef enum D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE
    {
        D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_SRV = 0,
        D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_UAV = ( D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_SRV + 1 ) ,
        D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV = ( D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_UAV + 1 ) ,
        D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_SAMPLER = ( D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV + 1 ) 
    }   D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE;

typedef struct D3D12_DESCRIPTOR_RANGE
    {
    D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE RangeType;
    UINT NumDescriptors;
    UINT BaseShaderRegister;
//...
    }   D3D12_DESCRIPTOR_RANGE;

Видим, что RangeType — указывает тип дескриптора, NumDescriptors — количество, BaseShaderRegister — номер регистра внутри шейдера. Остальные параметры служат для расширенной настройки и пока не будем их рассматривать. В рантайме дескрипторы устанавливаются методом ID3D12GraphicsCommandList::SetGraphicsRootDescriptorTable, в него передается индекс root parameter нашей таблицы дескрипторов и первый дескриптор. Все дескрипторы, указанные в описании таблицы дескрипторов, подхватываются автоматически. Из этого следует, что они должны располагаться непрерывно друг за другом в descriptor heap.

Заключение

Мы рассмотрели некоторые возможности DirectX 12. Если вам интересная данная тема или любая другая из области компьютерной графики, отписывайтесь в комментариях.

Ссылки:
https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3d12/directx-12-programming-guide
https://developer.nvidia.com/dx12-dos-and-donts
https://gpuopen.com/performance-root-signature-descriptor-sets/