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Chapter 6 Drawing in Direct3D.md

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Chapter 6 DRAWING IN DIRECT3D

在之前的章节中，我们主要是讨论了渲染管线中的一些概念和一些数学知识。 在本章中，我们就转为主要讨论Direct3D API，从而来配置渲染管线，编写顶点着色器和像素着色器，以及提交图形到渲染管线并且绘制它。 在本章结束的时候，我们就能够成功绘制一个立方体了。

目标:

  • 了解一些用于定义，存储绘制图形的Direct3D API。
  • 了解学习如何编写基础的顶点着色器和像素着色器代码。
  • 了解如何使用管线状态来配置渲染管线。
  • 了解如何创建一个常缓冲并且将其绑定到渲染管线中去，并且熟悉Root Signature(暂且叫做来源标记，主要是用于定义在着色器使用哪些资源)。

6.1 VERTICES AND INPUT LAYOUTS

回顾5.5.1，在Direct3D中，顶点除了他的位置外它还可以附加一些其他数据。 为了创建一个自定义的顶点格式，我们需要创建一个结构体来描述我们要给顶点附加的数据。 下面就举出两个不同的顶点格式的例子，其中一个附加了位置和颜色数据，另外一个附加了位置，法向量，以及两个纹理坐标数据。

struct Vertex1
{
    Float3 Pos;
    Float4 Color;
};

struct Vertex2
{
    Float3 Pos;
    Float3 Normal;
    Float2 Tex0;
    Float2 Tex1;
};

我们虽然定义了顶点格式，但是我们同样需要告诉Direct3D我们的顶点格式，不然的话Direct3D是没法知道我们给顶点附加了哪些额外的数据。 我们使用D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC来做这件事。

struct D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC
{
    const D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC *pInputElementDescs;
    UINT NumElements;
};
  • pInputElementDescs: 一个数组，告诉Direct3D我们的顶点附加的数据信息。
  • NumElements: 数组的大小。

pInputElementDescs里面的每一个元素都相当于顶点格式的一个附加数据信息。 因此如果我们的一个顶点格式他有两个附加数据信息的话，那么这个数组的大小就需要是两个。

struct D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC
{
    LPCSTR SemanticName;
    UINT SemanticIndex;
    DXGI_FORMAT Format;
    UINT InputSlot;
    UINT AlignedByteOffset;
    D3D12_INPUT_CLASSIFICATION InputSlotClass;
    UINT InstanceDataStepRate;
};

Image6.1

  • SemanticName: 一个用于联系元素的字符串。他的值必须在合法的范围内。我们使用这个来将顶点中的元素映射到着色器的输入数据中去。参见图片6.1。
  • SemanticIndex: 索引值，具体可以参见图片6.1。例如一个顶点可能会有不止一个纹理坐标，我们必须区分这些纹理坐标，因此我们就加入了索引值来区分一个顶点里面的多个纹理坐标。如果一个semanticName没有加上索引的话就默认为索引值为0。例如POSITION就是POSITION0。
  • Format: 附加的数据信息的格式，类型是DXGI_FORMAT。
  • InputSlot: 指定这个元素从哪个输入口进入，Direct3D支持16个输入口(0-15)输入顶点数据。对于现在来说，我们只使用0输入口。
  • AlignedByteOffset: 内存偏移量，单位是字节。从顶点结构的开端到这个元素的开端的字节大小。下面是一个例子。 
    struct Vertex
{
    Float3 Pos; // 0-byte offset
    Float3 Normal; // 12-byte offset
    Float2 Tex0; // 24-byte offset
    Float2 Tex1; // 32-byte offset
};
  • InputSlotClass: 现在默认使用D3D12_INPUT_PER_VERTEX_DATA。另外的一个类型是用于Instancing技术的。

这里我们给一个例子:

struct Vertex
{
    Float3 Pos; // 0-byte offset
    Float3 Normal; // 12-byte offset
    Float2 Tex0; // 24-byte offset
    Float2 Tex1; // 32-byte offset
};

D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC desc [] =
{
        {“POSITION”, 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0,  D3D12_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0},
        {“NORMAL”,   0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 12, D3D12_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0},
        {“TEXCOORD”, 0, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT,    0, 24, D3D12_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0},
        {“TEXCOORD”, 1, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT,    0, 32, D3D12_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0}
};

6.2 VERTEX BUFFERS

为了能够让GPU访问一组顶点的数据信息，我们需要将顶点信息放入到GPU资源中去(ID3D12Resource)，我们称之为缓冲。 我们将存储顶点数据的缓冲称之为顶点缓冲(Vertex Buffer)。 缓冲比纹理简单一些，他只有一维，并且他没有纹理明细(MipMaps)，过滤器(filters)，多重采样(multisampling)这些东西。 无论在什么时候，如果我们要给GPU提供一组数据信息例如顶点数据信息，我们都会使用缓冲来实现。

我们在之前讲过通过填充D3D12_RESOURCE_DESC类型来创建一个ID3D12Resource。 因此我们也会通过这样的方式来创建一个缓冲，即填充D3D12_RESOURCE_DESC结构来描述我们要创建的缓冲的属性，然后使用ID3D12Device::CreateCommittedResource创建缓冲。

在d3dx12.h中提供了一个简便的类型CD3D12_RESOURCE_DESC来创建资源，具体可以去参见d3dx12.h。

注意我们在Direct3D 12中并没有定义一个具体的类型来表示这个资源是一个缓冲或者是一个纹理(Direct3D 11中是这样做的)。 因此我们在创建资源的时候需要通过D3D12_RESOURCE_DESC::D3D12_RESOURCE_DIMENSION来指定资源的类型。

对于静态的图形(即每一帧中通常不会改变)，我们会将他的顶点缓冲放在默认堆中(Default Heap)以保持最优的性能，通常大部分游戏中的图形都会放在默认堆中，例如树，建筑，地形，人物等。 因为我们在创建好它的顶点缓冲后，GPU只会读取里面的顶点信息来绘制它，而不会做其他的事情，因此将其放在默认堆里面是最好的。 然而由于GPU并不能将数据写入到处于默认堆里面的资源，我们该如何将初始的顶点数据放到缓冲中去？

为了实现这个，我们需要创建一个上传缓冲资源(Upload Buffer)，它会被放在上传堆中(Upload Heap)。 回顾4.3.8章节，当我们要将数据从内存拷贝到显存中去的时候，我们提交了一个资源到上传堆中。 在我们创建完一个上传缓冲后，我们将顶点数据拷贝到上传缓冲中，然后我们从上传缓冲中拷贝顶点数据到我们的顶点缓冲中去。

之后的内容是一个例子，这里可以自己去看代码。我只将几个主要使用的结构体类型介绍下。

struct D3D12_SUBRESOURCE_DATA
{
   const void *pData;
   LONG_PTR RowPitch;
   LONG_PTR SlicePitch;
};
  • pData: 数组的首元素指针。
  • RowPitch: 对于缓冲来说他就是我们拷贝的数据的大小，单位字节。
  • SlicePitch: 对于缓冲来说他就是我们拷贝的数据的大小，单位字节。

注意的是，对于顶点缓冲来说，我们创建他的描述符是不需要将其放入描述符堆中的。

struct D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW
{
    D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS BufferLocation;
    UINT SizeInBytes;
    UINT StrideInBytes;
};
  • BufferLocation: 我们想要使用的顶点缓冲的虚拟地址。我们可以使用ID3D12Resource::GetGPUVirtualAddress来获取地址。
  • SizeInBytes: 描述符可以只声明他只使用缓冲中的一部分数据，这个参数就是用来告诉我们要使用的缓冲大小，单位字节，从BufferLocation位置开始往后偏移。
  • StrideInBytes: 每个顶点元素的大小，单位字节。

在我们创建完缓冲和缓冲的描述符后，我们可以将他们绑定到渲染管线的输入口，然后在输入装配阶段将顶点缓冲输入进去。

    void ID3D12GraphicsCommandList::IASetVertexBuffers(
        UINT StartSlot,
        UINT NumBuffers,
        const D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW *pViews);
  • StartSlot: 绑定的顶点缓冲的输入口的起始位置，总共有16个，范围在0-15之间。
  • NumBuffers: 我们要绑定的顶点缓冲的个数，我们假设我们绑定n个顶点缓冲，输入口的起始位置是k，那么第i个顶点缓冲的输入口就是k + i - 1。
  • pViews: 我们要绑定的顶点缓冲的描述符数组的首元素的地址。

官网中说的是DX12最大支持的输入口个数是32。

由于要支持多个顶点缓冲从任意一个输入口输入数据，这个函数设计的就有点复杂了。 但是在这里我们只使用一个输入口。在章节最后的练习中我们会使用到两个输入口。

只有当我们改变这个输入口绑定的顶点缓冲的时候，原本的顶点缓冲才会取消绑定。 因此我们虽然只使用一个输入口但是我们仍然可以使用多个顶点缓冲。例如这样。

    D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW_DESC BufferView1;
    D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW_DESC BufferView2;

    /*Create Vertex Buffer Views*/

    commandList->IASetVertexBuffers(0, 1, &BufferView1);

    /*Draw by using VertexBuffer1*/

    commandList->IASetVertexBuffers(0, 1, &BufferView2);

    /*Draw by using VertexBuffer2*/

绑定一个顶点缓冲到输入口并不代表我们绘制了这个缓冲，我们只是准备好让顶点输入到渲染管线中而已。 因此最后我们还需要使用绘制函数来绘制这些顶点。

    void ID3D12CommandList::DrawInstanced(
        UINT VertexCountPerInstance,
        UINT InstanceCount,
        UINT StartVertexLocation,
        UINT StartInstanceLocation);
  • VertexCountPerInstance: 我们需要绘制的顶点个数(对于每个实例来说)。
  • InstanceCount: 我们要绘制的实例个数，这里我们设置为1。
  • StartVertexLocation: 指定从顶点缓冲中的第几个顶点开始绘制。
  • StartInstanceLocation: 这里我们设置为0。

VertexCountPerInstance和StartVertexLocation一起决定了我们要绘制顶点缓冲中的哪个范围。 图片6.2给出了例子。

Image6.2

StartVertexLocation指定了我们要绘制第一个顶点在顶点缓冲中的位置，VertexCountPerInstance指定了我们要绘制的顶点个数。

DrawInstanced并没有让我们指定我们绘制的时候使用的图元的类型。 因此我们需要使用ID3D12GraphicsCommandList::IASetPrimitiveTopology去设置。

6.3 INDICES AND INDEX BUFFERS

和顶点类似，为了能够让GPU能够访问到索引数据，我们同样需要将索引数据放到缓冲中去。 我们称之为索引缓冲。索引缓冲的创建方式和顶点缓冲是一样的，因此这里就不再讨论了。

我们同样需要将索引缓冲绑定到渲染管线中去，因此我们也要为索引缓冲创建描述符，并且和顶点缓冲一样，我们不需要使用到描述符堆。

struct D3D12_INDEX_BUFFER_VIEW
{
    D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS BufferLocation;
    UINT SizeInBytes;
    DXGI_FORMAT Format;
};
  • BufferLocation: 和顶点缓冲的一样。
  • SizeInBytes: 和顶点缓冲的一样。
  • Format: 一个索引占据的字节大小，必须设置为DXGI_FORMAT_R16_UINT或者DXGI_FORMAT_R32_UINT。

和顶点缓冲一样，以及其他的Direct3D资源我们如果想要使用他们的话，一般都需要将其绑定到渲染管线中去。 这里我们同样也需要将索引缓冲绑定到和顶点缓冲一样的阶段(使用ID3D12CommandList::SetIndexBuffer)，即输入装配阶段。

下面的代码是一个例子，你可以去自己看看。

如果你需要使用索引缓冲的话，我们就不能够使用DrawInstanced来绘制图形了，而必须使用DrawIndexedInstanced来绘制。

    ID3D12GraphicsCommandList::DrawIndexedInstanced(
        UINT IndexCountPerInstance,
        UINT InstanceCount,
        UINT StartIndexLocation,
        INT BaseVertexLocation,
        UINT StartInstanceLocation);
  • IndexCountPerInstance: 我们绘制的时候使用的索引个数。
  • InstanceCount: 实例个数，这里我们设置为1。
  • StartIndexLocation: 指定从顶点缓冲中的哪个索引位置开始绘制。
  • BaseVertexLocation: 指定我们绘制的时候使用的第一个顶点在顶点缓冲中的位置，即在顶点缓冲中这个顶点之前的顶点我们并不使用，我们从这个顶点开始重新编号。
  • StartInstanceLocation: 我们这里设置为0。

假设我们有一个球体，一个长方体，一个圆柱体。 首先每个物体都有他自己的顶点缓冲和索引缓冲。 然后我们将每个物体的索引缓冲和顶点缓冲连接起来，即拼接起来变成一个索引缓冲和一个顶点缓冲，暂且叫做全局缓冲吧，可以参见图片6.3(将顶点缓冲和索引缓冲拼起来也有一些不好的地方，当我们需要改变其中一个物体的顶点缓冲或者索引缓冲的时候，性能开销会比分开来说要多，但是在大多数情况下来说并起来后的优化会比分开来说大)。 在将它们拼接起来后，那么就会出现一个问题，我们索引缓冲中存储的索引值是相对于原本的那个顶点缓冲来说的，它里面记录的顶点编号也是相对于原本的顶点缓冲来说的，但是我们这里将顶点缓冲拼接起来后，肯定有一些顶点的编号是改变的了。 因此我们需要重新计算索引缓冲。

Image6.3

值得庆幸的是我们的顶点缓冲和索引缓冲并不是分散的，一个物体的顶点缓冲或者索引缓冲都是全局缓冲中的一段缓冲。 因此我们能够很容易的就知道一个物体它的顶点缓冲的范围和索引缓冲的范围。 但是由于索引缓冲他的值是相对于原本的顶点缓冲来说的，如果我们要重新计算索引缓冲的话显然并不划算，但是如果我们假设这个索引缓冲对应的顶点缓冲的第一个顶点的编号在全局缓冲中的编号为0的话，那么就刚好可以对上。 因此我们就有了BaseVertexLocation参数来将全局缓冲中的一个顶点的编号暂时看作为0。

    commandList->DrawIndexedInstanced(numSphereIndices, 1, 0, 0, 0);

    commandList->DrawIndexedInstanced(numBoxIndices, 1,
        firstBoxIndex, firstBoxVertexPos, 0);

    commandList->DrawIndexedInstanced(numCylIndices, 1,
        firstCylIndex, firstCylVertexPos, 0);

EXAMPLE VERTEX SHADER

cbuffer PerObject : register(b0)
{
    float4x4 gWorldViewProj;
};

void VsMain(float3 pos : POSITION,
    float4 inputColor : COLOR,
    out float4 posH : SV_POSITION,
    out float4 outColor : COLOR)
{
    posH = mul(float4(pos, 1.0f), gWorldViewProj);
    outColor = inputColor;
}

我们使用HLSL(High Level Shading Language)语言来编写着色器，他和C++ 非常类似，因此非常容易就能够学会。 我们会在阅读过程中会逐步学习关于HLSL着色器的一些概念，从而我们能够自己来实现一些简单的演示程序。 我们通常会使用.hlsl格式来表示这个文件是一个着色器代码。

在例子中，顶点着色器就是叫做VSMain的函数，我们在顶点着色器阶段就会运行这个函数。 你可以给你的顶点着色器取任何合法的函数名，我们只需要在编译的时候指定入口点函数就好了。 我们可以看到例子中的顶点着色器有4个参数，前面两个是输入的参数，后面两个是输出的参数(使用out标志)。 在HLSL中是没有任何引用和指针的，所以要想一个函数返回多个参数的话你要么使用结构体要么就使用out关键词来声明一个参数是输出参数。 并且要注意，在HLSL中所有的函数都是inline的。

我们可以知道我们前面两个输入的参数和我们绘制的时候使用的顶点格式是向对应的，在参数后面的POSITION,COLOR就是用来将顶点中的数据映射到顶点着色器的参数中去。

Image6.4

后面的两个输出参数后面的SV_POSITION,COLOR则是用来将这个阶段输出的数据映射到下一个阶段(例如几何着色器和像素着色器)输入的数据中去。 需要注意的是SV_POSITION是稍微有一点特殊的(SV表示的意思是System Value)。 它表示我们的顶点在齐次裁剪空间的位置，我们必须使用这个标志输出的顶点位置而不是POSITION。 因为GPU是需要知道这些顶点的位置的，从而才能够进行一些需要顶点位置信息的操作，例如裁剪，深度测试以及光栅化。 除了系统值外我们需要使用指定的标志，其余的标志名我们是可以任意取的，只需要你到时候能够对应上就好了。

第一行代码中，我们做的就是使用一个矩阵将顶点坐标从模型空间转换到齐次裁剪空间。

    posH = mul(float4(pos, 1.0f), gWorldViewProj);

float4既是数据类型也是构造函数，mul则有多个重载，支持各种类型的乘法。

然后一行代码我们只是将输入的颜色作为输出的颜色而已。

    outColor = inputColor;

我们同样也可以在着色器中加入结构体来充当输入和输出的参数，只要能够互相对应就可以了。

cbuffer PerObject : register(b0)
{
    float4x4 gWorldViewProj;
};

struct InputVertex
{
    float3 pos : POSITION;
    float4 inputColor : COLOR;
};

struct OutputVertex
{
    float4 posH : SV_POSITION;
    float4 outColor : COLOR;
};

OutputVertex VsMain(InputVertex input)
{
    OutputVertex output;

    output.posH = mul(float4(input.pos, 1.0f), gWorldViewProj);

    output.outColor = input.inputColor;

    return output;
}

如果我们没有使用几何着色器的话，我们就必须在顶点着色器中输出顶点在齐次裁剪空间中的位置，即必须有一个分量是SV_POSITION标志。 如果我们有使用几何着色器的话，那么我们就可以在几何着色器中输出。

透视除法并不需要我们去做，通常会由硬件来做。

6.5 EXAMPLE PIXEL SHADER

我们之前在5.10.3中讲了在光栅化的时候每个三角形的像素的一些属性都会由对应的顶点(由顶点着色器或者几何着色器输出的顶点)属性插值而来。 然后这些插值计算出来的属性会作为像素着色器的输入数据。 这里我们默认我们没有使用几何着色器。图片6.5将会介绍他们的关联。

Image6.5

像素着色器类似顶点着色器，他也同样是一个函数。 并且我们会对每个像素运行一次来计算出这个像素的颜色。 但是你需要注意这里我们处理的像素并不是最后放到后台缓冲中的像素，这些像素可能会被Clip函数裁剪掉，或者被另外一个深度值更小的像素覆盖。

一些已经确定不可能出现在后台缓冲中的像素会被硬件直接优化掉，即直接不对这个像素运行像素着色器。 例如没有通过深度测试的像素就没有必要去运行像素着色器了，因为无论如何这个像素都不会被写入到后台缓冲中去。

cbuffer PerObject : register(b0)
{
    float4x4 gWorldViewProj;
};

void VsMain(float3 pos : POSITION,
    float4 inputColor : COLOR,
    out float4 posH : SV_POSITION,
    out float4 outColor : COLOR)
{
    posH = mul(float4(pos, 1.0f), gWorldViewProj);

    outColor = inputColor;
}

float4 PsMain(float4 posH : SV_POSITION,
    float4 color : COLOR) : SV_TARGET
{
    return color;

    //lol, 原文这里返回的是pin.Color，我简直是醉了。
}

在上面的例子中，我们就直接了返回插值后的颜色。 并且你需要注意的是像素着色器的输入参数要和顶点着色器的输出参数一致。 通常来说像素着色器的返回值是一个4维向量，SV_TARGET标志意味着我们的返回值的类型要能够和Render Target的格式一致。

我们同样也可以使用结构体来代替上面的顶点和像素着色器的输入输出数据。

cbuffer cbPerObject : register(b0)
{
    float4x4 gWorldViewProj;
};

struct VertexIn
{
    float3 Pos : POSITION;
    float4 Color : COLOR;
};

struct VertexOut
{
    float4 PosH : SV_POSITION;
    float4 Color : COLOR;
};

VertexOut Vs(VertexIn inPut)
{
    Vertex outPut;

    outPut.posH = mul(float4(inPut.Pos, 1.0f)), gWorldViewProj);

    outPut.Color = inPut.Color;

    return outPut;
}

float4 Ps(VertexOut inPut) : SV_Target
{
    return inPut.Color;
}

6.6 CONSTANT BUFFERS

6.6.1 Creating Constant Buffers

常缓冲就是一种能够被着色器程序引用的GPU资源。 在我们之后的学习中，我们会知道纹理以及其他类型的缓冲资源都能够被着色器程序引用。

cbuffer cbPerObject : register(b0)
{
    float4x4 gWorldViewProj;
}

这里我们定义了一个叫做cbPerObject的cbuffer(Constant Buffer)。 在这里，我们的常缓冲中存储了一个4x4的矩阵，将世界变换矩阵，视角矩阵以及投影矩阵组合起来了，用于将一个顶点从模型空间中转换到齐次裁剪空间中去。

不像顶点和索引缓冲，常缓冲通常需要在每一帧的时候都通过CPU去更新数据。 例如，如果我们的摄像机在每一帧的时候都在移动，那么我们就需要在每一帧中使用新的视角矩阵更新我们的缓冲。 因此我们创建常缓冲的时候可以将他放到上传堆(Upload Heap)而不是默认堆中，这样的话我们就可以直接使用CPU去更新常缓冲了。

注意的是，常缓冲的空间大小必须是硬件能够分配的最小的空间大小的倍数，即256bytes的倍数。

我们通常可能需要使用多个同样类型的缓冲，例如我们之前代码里的那个缓冲，我们每个不同的物体都需要使用到。

在Direct3D 12中我们可以使用Shader Model 5.1，因此我们可以使用下面的方法定义一个常缓冲。

struct ObjectConstants
{
    float4x4 gWorldViewProj;
    uint matIndex;
};

ConstantBuffer<ObjectConstants> gObjConstants : register(b0);

6.6.2 Updating Constant Buffers

由于我们的常缓冲是创建在上传堆中的，因此我们可以直接用CPU中更新缓冲。 具体来说我们需要先获取资源数据的指针，我们可以使用Map函数来获取。

    ComPtr<ID3D12Resource> uploadBuffer;
    BYTE* data = nullptr;
    uploadBuffer.Map(0, nullptr, reinterpret_cast<void**>(&data));

Map函数的第一个参数就是表示我们要获取的是资源中第几个子资源的指针。 对于缓冲来说，他只有一个子资源就是他自己，因此我们就设置为0。 第二个参数的类型是D3D12_RANGE来表示我们要映射的内存范围，设置为null的话就代表我们要映射的是整个资源。 第三个参数的话就是返回我们要的资源的指针。

我们可以使用下面的方法将数据复制到常缓冲中去:

    memcpy(data, &SourceData, DataSize);

当我们完成更新不需要再更新的时候，我们应该使用Unmap函数去释放内存。

    if (uploadBuffer != nullptr)
        uploadBuffer->Unmap(0, nullptr);

    data = nullptr;

第一个参数是我们要对哪个子资源进行释放，对于缓冲来说我们只需要设置为0就好了。 第二个参数的类型是D3D12_RANGE表示这个子资源中我们要释放的内存范围，设置为nullptr表示整个资源。

6.6.3 Upload Buffer Helper

Nullptr!!!

6.6.4 Constant Buffer Descriptors

回顾4.1.6，我们是通过描述符将资源绑定到渲染管线中去的。 到现在为止我们绑定渲染目标(Render Target)，深度模板缓冲(Depth/Stencil Buffer)以及顶点和索引缓冲(Vertex/Index Buffer)都是使用的描述符。 因此我们要绑定常缓冲到管线上去的话还是需要创建描述符。 常缓冲的描述符在的描述符堆的类型是D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_CBV_SRV_UAV，也就是说这个堆能够存储常缓冲(Constant Buffer)，着色器资源(Shader Resource)和无序资源(unordered access)的描述符。 为了存储这些描述符，我们需要创建一个这样的类型的堆来存储。

    D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC desc;

    desc.NumDescriptors = 1;
    desc.Type = D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_CBV_SRV_UAV;
    desc.Flags = D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_SHADER_VISIBLE;
    desc.NodeMask = 0;

    ComPtr<ID3D12DescriptorHeap> cbvHeap;

    device->CreateDescriptorHeap(&desc, IID_PPV_ARGS(&cbvHeap));

虽然创建这个类型的堆的代码和我们之前创建其他类型的堆的代码是差不多的，但是我们需要注意设定D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_FLAG_SHADER_VISIBLE这个标志(Flags)来声明这个堆里面的描述符能够被着色器程序访问。

我们需要填充D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC结构才可以创建常缓冲描述符，然后使用ID3D12Device::CreateConstantBufferView函数创建它。

    D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC desc;

    desc.BufferLocation = bufferVisualAddress;
    desc.SizeInBytes = bufferSize;

    device->CreateConstantBufferView(&desc,
        heap->GetCPUDescriptorHandleForHeapStart());

我们通常使用D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC来将缓冲中的一个子资源或者一个缓冲绑定到着色器中对应的常缓冲结构体中。 之前我们也提到过一个常量缓冲可以存储多个物体的数据信息，具体使用某一个资源的时候，我们可以使用BufferLocation以及SizeInBytes来做到。 并且你需要注意D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC::SizeInBytes和D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC::OffsetInBytes的大小必须是256bytes的倍数。

6.6.5 Root Signature and Descriptor Tables

通常来说，不同的着色器程序在绘制指令执行前需要绑定到管线的资源都会有所不同。 并且资源一般来说都会被绑定到管线中的一个具体的输入点(register slots)，这样我们就可以通过着色器访问被绑定的资源了。

我们之前使用的着色器都只使用了一个常缓冲而已，但在之后我们会使用到更多的资源，例如纹理，采样器等，这些都是需要绑定到管线上的。

SamplerState gsamPointWrap : register(s0);
SamplerState gsamPointClamp : register(s1);
SamplerState gsamLinearWrap : register(s2);
SamplerState gsamLinearClamp : register(s3);
SamplerState gsamAnisotropicWrap : register(s4);
SamplerState gsamAnisotropicClamp : register(s5);

cbuffer PerObject : register(b0)
{
    float4x4 gWorld;
    float4x4 gTexTransform;
};

cbuffer Pass : register(b1)
{
    float4x4 gView;
    float4x4 gProj;

    //Other
};

cbuffer Material : register(b2)
{
    float4 gDiffuseAlbedo;
    float3 gFresnelR0;
    float gRoughness;
    float4x4 gMatTransform;
}

来源标记(Root Signature)存储我们在绘制指令执行前要绑定到渲染管线的资源有哪些，以及这些资源将会被映射到着色器的哪个输入寄存器中。 来源标记存储的内容必须和我们使用的着色器内容相吻合(即在绘制指令执行之前，我们必须在来源标记中声明那些被着色器声明以及使用的资源)。 我们将会在创建渲染管线的时候验证两者的内容是否吻合。注意不同的绘制指令可能需要不同的着色器程序以及不同的来源标记。

我们可以假设着色器程序是一个函数，在着色器中使用的资源是参数，那么我们可以认为来源标记就是用来声明参数的。

在Direct3D中我们使用ID3D12RootSignature来表示一个来源标记。 它将存储一组来源参数来描述我们要在着色器中使用哪些资源。 一个来源参数可以是常量，描述符或者描述符表。 我们在之后会讲到常量和描述符，但是在本章中我们会使用到描述符表。 描述符表是在描述符堆的基础上，指定堆的一段范围作为我们要使用的一组描述符。

//这里给出大致代码

    D3D12_DESCRIPTOR_RANGE cbvRange;
    D3D12_ROOT_PARAMETER rootParameter[1];

    cbvRange.RangeType =
    cbvRange.NumDescriptors = 1;
    cbvRange.BaseShaderRegister = 0;

    rootParameter.ParameterType = D3D12_ROOT_PARAMETER_TYPE_DESCRIPTOR_TABLE;
    rootParameter.ShaderVisibility = D3D12_SHADER_VISIBILITY_ALL;
    rootParameter.DescriptorTable.NumDescriptorRanges = 1;
    rootParameter.DescriptorTable.pDescriptorRanges = &cbvRange;

//代码先坑着，网速不好没法上MSDN看参数。

之前说过来源标记只是定义了我们要绑定到渲染管线的资源。 并不意味我们需要在创建它的时候就将资源绑定到渲染管线上。 我们会使用指令列表来设置我们要使用的资源，准确来说是函数ID3D12GraphicsCommandList::SetGraphicsRootDescriptorTable。

    void ID3D12GraphicsCommandList::SetGraphicsRootDescriptorTable(
        UINT RootParameterIndex,
        D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE BaseDescriptor);
  • RootParameterIndex: 我们要设置到哪个来源参数中去。
  • BaseDescriptor: 描述符在描述符堆中的位置，表示我们要设置的描述符表的第一个元素。例如，我们指定了一个有5个描述符的描述符表，那么BaseDescriptor和在他后面4个的描述符就会作为一个描述符表被设置。

下面的代码我们会设置一个CBV堆和一个描述符表到管线。

    commandList->SetGraphicsRootSignature(...);

    commandList->SetDescriptorHeaps(descriptorHeapsCount, descriptorHeaps);

    D3DX12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE cbvPosition = descriptorHeaps->GetGPUDescriptorHandleForHeapStart() + offset;

    commandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(0, cbvPosition);

为了性能考虑，建议不要创建太大的来源标记，以及不要过于频繁更换来源标记。 当你更换一个来源标记的时候，你原本绑定的资源全部都会被取消绑定，你需要重新绑定。

6.7 COMPILING SHADERS

在Direct3D中着色器程序首先需要编译成较为简便的字节码。 然后图形驱动会将编译后的字节码重新编译成GPU的指令。 我们可以在程序运行的时候使用下面的函数去编译我们的着色器程序。

    HRESULT D3DCompileFromFile(
        LPCWSTR pFileName,
        const D3D_SHADER_MACRO *ppDefines,
        ID3DInclude *pInclude,
        LPCSTR pEntrypoint,
        LPCSTR pTarget,
        UINT Flags1,
        UINT Flags2,
        ID3DBlob **ppCode,
        ID3DBlob **ppErrorMsgs);
  • pFileName: 我们要编译的着色器代码所在的文件名。
  • pDefines: 我们目前不需要使用，如果你需要使用的话，参见SDK文档。
  • pInclude: 同上。
  • pEntrypoint: 我们要使用的着色器程序的名字，因为本身来说一个着色器程序就是一个函数，因此就是对应的函数名，我们可以在一个着色器代码文件里面写多个着色器。
  • pTarget: 指定我们的着色器的类型和版本，具体参数参见文档。
  • Flags1: 指定我们要如何编译着色器，参数很多。我们这里主要使用D3DCOMPILE_DEBUG和D3DCOMPILE_SKIP_OPTIMIZATION用来方便我们进行调试。
  • Flags2: 我们目前不需要使用。
  • ppCode: 返回编译后的字节码，类型ID3DBlob。
  • ppErrorMsgs: 如果编译错误，返回编译的错误信息，类型ID3DBlob。

ID3DBlob本质上就是一块内存，我们可能需要使用到下面的两个成员函数。

  • LPVOID GetBufferPointer: 返回这块内存的头指针。
  • SIZE_T GetBufferSize: 返回这块内存的大小，单位byte。

6.7.1 Offline Compilation

除了在运行的时候编译着色器程序，我们也可以预先编译好它。

下面是一些为什么要预先编译的理由:

  • 编译着色器程序需要花费一段时间，预先编译的话就可以减少这段时间。
  • 预先编译的话能够更好的去调试我们的着色器程序，以及更早的知道我们的着色器程序的错误。
  • Windows 8 应用商店程序只能使用预先编译好的着色器程序。

编译后的文件格式会变成.cso。

我们通常DirectX附带的FXC工具来预先编译我们的着色器程序。FXC是一个控制台工具，因此我们需要键入一些指令来编译我们的着色器。

下面的例子是我们使用Debug模式编译我们的着色器程序。

    fxc ".hlsl" /Od /Zi /T vs_5_0 /E "entryPoint" /Fo ".cso" /Fc ".asm"

    fxc ".hlsl" /Od /Zi /T ps_5_0 /E "entryPoint" /Fo ".cso" /Fc ".asm"

下面的例子是编译成Release模式的。

    fxc ".hlsl" /Od /Zi /T vs_5_0 /E "entryPoint" /Fo ".cso" /Fc ".asm"

    fxc ".hlsl" /Od /Zi /T ps_5_0 /E "entryPoint" /Fo ".cso" /Fc ".asm"
参数 描述
/Od 禁止优化，通常用于调试。
/Zi 允许调试信息。
/T "string" 着色器的类型和版本。
/E "string" 着色器的入口点函数名。
/Fo "string" 编译完成后的文件名。
/Fc "string" 输出一个用于调试，检测指令数，以及了解代码是如何生成的文件。

如果你编译的着色器程序有语法错误的话，FXC将会输出错误或者警告信息。例如我们编译的代码中有着一段:

    //worldViewProj is not exist!!
    output.posH = mul(float4(input.pos, 1.0f)worldViewProj);

然后他就会输出这样的错误:

    xxx.hlsl(29,42-54): error X3004: undeclared identifier "worldViewProj"

    xxx.hlsl(29,14-55): error X3013: 'mul': no matching 2 parameter intrinsic function

    ...

虽然我们能够预先编译好了着色器代码，但是我们还是需要读入代码到我们的程序中去，我们可以使用输入输出流在完成这个工作。

    std::ifstream file(fileName, std::ios::binary);

    file.seekg(0, std::ios_base::end);
    std::ifstream::pos_type size = (int)file.tellg();
    file.seekg(0, std::ios_base::beg);

    ComPtr<ID3DBlob> blob;

    ThrowIfFailed(D3DCreateBlob(size, blob.GetAddressOf()));

    file.read((char*)blob->GetBufferPointer(), size);

    file.close();

6.7.2 Generated Assembly

/Fc 参数将会告诉FXC生成一段汇编代码。 在调试或者其他时候，时不时看下着色器的汇编码能够很好的帮助我们检查着色器的指令数，以及了解代码如何生成的，并且生成代码是有可能和你预想的不一样的。例如，如果你的代码里面有一个条件语句，你可能会觉得在编译后的代码中会是一个分支指令。 但是在早期的可编程式GPU上在着色器上使用分支结构的开销是非常大的。因此有时候编译器就会将一个分支语句变成一种插值形式从而减少开销的同时达到一样的结果。

这里是原始代码。

    float x = 0;

    if (s == 1)
        x = sqrt(y);
    else
        x = 2 * y;

这里是可能编译的时候生成的代码。

float a = 2 * y;
float b = sqrt(y);
float x = a + s * (b - a);

//这样的话，当s是1的时候，x = b，否则x = a。
//效果是一样的。

我们从上面的代码可以知道编译器帮我们做了这些事情，但是如果我们不去看汇编码的话，我们是不会知道他做了这些事情的。 因此有时候去详细看看汇编码才可以知道我们的代码到底会变成什么样子。

6.7.3 Using Visual Studio to Compile Shaders Offline

Visual Studio 2013以上可以直接编译我们的着色器。你只需要将你的.hlsl格式的文件加入到你的工程里面(应该只支持C++工程)去，然后Visual Studio识别他们并且提供编译的设置(可以参见图片6.6)。这些设置其实就是将FXC工具的参数UI化了而已。 当你将的你的着色器代码加入到工程后，Visual Studio将会在编译过程中也会使用FXC去编译我们的着色器代码。

Image6.6

但是使用Visual studio去编译着色器的话就有一个缺点，就是一个文件只能够支持一个着色器程序，即我们不能将多个着色器程序放到一个文件里面去了。

6.8 RASTERIZER STATE

虽然渲染管线有很多部分都是可编程的，但是还是有一些部分只允许我们设置参数，而不是可编程。例如关于光栅化部分，我们就不能编写代码，而是必须使用D3D12_RASTERIZER_DESC结构来设置我们的渲染管线的光栅化阶段。

    struct D3D12_RASTERIZER_DESC {
        D3D12_FILL_MODE FillMode; //Default: D3D12_FILL_SOLID
        D3D12_CULL_MODE CullMode; //Default: D3D12_CULL_BACK
        BOOL FrontCounterClockwise; //Default: false
        INT DepthBias; //Default: 0
        FLOAT DepthBiasClamp; //Default: 0.0f
        FLOAT SlopeScaledDepthBias; //Default: 0.0f
        BOOL DepthClipEnable; //Default: true
        BOOL ScissorEnable; //Default: false
        BOOL MultisampleEnable; //Default: false
        BOOL AntialiasedLineEnable; //Default: false
        UINT ForcedSampleCount; //Default: 0
        D3D12_CONSERVATIVE_RASTERIZATION_MODE ConservativeRaster; //Default: D3D12_CONSERVATIVE_RASTERIZATION_MODE_OFF
    }

大部分参数我们都不会经常使用。如果你想要了解所有的参数的话，建议去翻看SDK文档。我们这里只介绍4个常用的。

  • FillMode: 指定绘制的模式。D3D12_FILL_WIREFRAME表示线框模式，D3D12_FILL_SOLID表示实体模式。
  • CullMode: 指定剔除模式。D3D12_CULL_NONE表示不进行剔除，D3D12_CULL_BACK表示进行背面剔除，D3D12_CULL_FRONT表示进行正面剔除。
  • FrontCounterClockwise: false表示顺时针方向的三角形会认为是正面，逆时针方向的三角形会变成反面。true这相反。需要注意的是所谓的顺时针方向和逆时针方向都是相对摄像机来说的。
  • ScissorEnable: true表示开启在4.3.10提到过的剪裁测试，false表示关闭。

6.9 PIPELINE STATE OBJECT

到现在为止，我们已经介绍了如何描述输入的顶点格式，如何创建一个顶点着色器和一个像素着色器，如何设置光栅化阶段状态。然而我们并没有介绍如何绑定这些东西到我们的渲染管线中去。这里我们就定义了一个叫做管线状态(PSO, Pipeline State Object)的东西来将上面的东西集合在一起，然后统一设定到渲染管线上去。在Direct3D中对应ID3D12PipelineState接口。

如果要创建一个管线状态的话，我们必须填充D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC结构来创建。

struct D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC
{
    ID3D12RootSignature *pRootSignature;
    D3D12_SHADER_BYTECODE VS;
    D3D12_SHADER_BYTECODE PS;
    D3D12_SHADER_BYTECODE DS;
    D3D12_SHADER_BYTECODE HS;
    D3D12_SHADER_BYTECODE GS;
    D3D12_STREAM_OUTPUT_DESC StreamOutput;
    D3D12_BLEND_DESC BlendState;
    UINT SampleMask;
    D3D12_RASTERIZER_DESC RasterizerState;
    D3D12_DEPTH_STENCIL_DESC DepthStencilState;
    D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC InputLayout;
    D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE PrimitiveTopologyType;
    UINT NumRenderTargets;
    DXGI_FORMAT RTVFormats[8];
    DXGI_FORMAT DSVFormat;
    DXGI_SAMPLE_DESC SampleDesc;
};

struct D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC
{
    const D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC *pInputElementDescs;
    UINT NumElements;
};

enum D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE
{
    D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_UNDEFINED = 0,
    D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_POINT = 1,
    D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_LINE = 2,
    D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_TRIANGLE = 3,
    D3D12_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TYPE_PATCH = 4
};
  • pRootSignature:要绑定到这个管线状态的来源标记的指针。来源标记的内容必须要和绑定到这个管线状态的着色器内容相吻合。
  • VS: 要绑定的顶点着色器(Vertex Shader)。
  • PS: 要绑定的像素着色器(Pixel Shader)。
  • DS: 要绑定的域着色器(Domain Shader)。
  • HS: 要绑定的外壳着色器(Hull Shader)。
  • GS: 要绑定的几何着色器(Geometry Shader)。
  • StreamOutput: 用于流式输出，我们目前不需要关心。
  • BlendState: 指定用于设置混合属性的混合状态。我们之后会讨论。这里我们使用默认值。
  • SampleMask: 多重采样最多支持32个采样点，因此我们可以通过这一个$32bit$大小的整型来设置我们采样的时候要忽略的采样点，例如你第5位是$0$，就表示我们在进行多重采样的时候会忽略第5个采样点。通常我们设置为默认值0xffffffff表示不忽略任何采样点。
  • RasterizerState: 指定我们要绑定的光栅化阶段状态。
  • DepthStencilState: 指定我们要绑定的用于深度和目标测试的深度和模板状态。我们将会在之后介绍，这里我们使用默认值。
  • InputLayout: 指定我们要绑定的输入顶点格式。
  • PrimitiveTopologyType: 指定我们要使用的图元拓扑类型。
  • NumRenderTargets: 指定我们同时使用的渲染目标的个数。
  • RTVFormats: 渲染目标的数据格式。由于支持同时渲染到多个渲染目标中去，因此每个格式要和他对应的渲染目标相吻合。
  • DSVFormat: 指定我们要使用的深度模板缓冲的格式，必须和我们之后设置的深度模板缓冲的格式相吻合。
  • SampleDesc: 指定我们要使用的多重采样的采样数和采样等级，必须要和我们使用的渲染目标的设置相同。

我们填充完D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC结构后就可以通过它来创建我们的渲染管线状态了。

    D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC psoDesc;

    //Fill psoDesc
    ...
    ///

    ComPtr<ID3D12PipelineState> pso;

    device->CreateGraphicsPipelineState(&psoDesc, IID_PPV_ARGS(&pso));

虽然我们需要在创建渲染管线状态的时候指定很多状态，但是这样做的话能够提高性能。我们可以通过提前将所有的状态指定好，那么Direct3D就会验证我们的这个管线状态是否合法，然后驱动也会提前生成对应控制硬件状态的代码。在Direct3D 11中，我们是可以分别设置渲染管线的状态。但是有些状态是分散的相关联的，例如你改变了一个状态，那么可能另外一个和这个状态相关的状态也需要改变。这样就可能在我们改变几个状态的时候导致会有很多的状态会被改变，以及产生多余的改变，例如一个状态改变多次。为了避免这样的情况，驱动并不会立马改变状态，而是会到下一次绘制指令时，我们能够确定具体的渲染管线状态时才会开始改变，但是如果这样做的话，就意味着驱动要在运行的时候记录这些内容，它需要记录哪些状态需要被改变，以及最后会改变成什么样子，然后在运行的时候生成对应的代码将硬件的状态改变成对应的状态。在Direct3D 12中我们可以通过提前创建好渲染管线状态，然后直接更换我们的渲染管线状态一次性的将状态改变，就能够节省性能的浪费。

由于验证和创建一个渲染管线状态的时间开销是比较大的，因此我们通常都会在初始化的时候创建完毕，当然也可以在第一次引用的时候创建然后通过哈希表或者数据结构来存储下来下次直接引用第一次创建的就好了。

并且并不是所有的状态都被放到渲染管线状态中去了，也有一些和渲染管线无关的状态没有放到渲染管线状态中去，例如视角和裁剪矩形。

大致上来说Direct3D可以算一个状态机，因此他的所有的状态都会保存到直到这个状态被改变为止。下面的代码将会介绍使用不同的渲染管线状态。当然最好尽可能的少改变我们的渲染管线状态。

    commandList->Reset(commandListAlloc, pso);

    //Draw Call

    commandList->SetPipelineState(pso2);

    //Draw Call

    commandList->SetPipelineState(pso3);

    //Draw Call

6.12 SUMMARY

  • 除了位置信息外，我们还可以个顶点附加一些额外的信息。通常我们会定义一个结构体来描述我们自定义的顶点结构。然后我们可以通过D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC来告诉Direct3D我们的顶点格式是怎么样的，其中D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC中的D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC数组的每一个元素都需要对应顶点结构中的每一个分量。并且我们将会在创建渲染管线状态的时候设置它，以及验证它是否和顶点着色器的输入顶点数据相吻合。最后就是输入顶点格式在渲染管线状态被绑定的时候会被绑定到输入装配阶段(IA Stage)。
  • 为了能够让GPU访问我们我们绑定的顶点数据和索引数据，我们的缓冲必须放到一个由ID3D12Resource接口定义的缓冲中去。同时，我们将存储顶点数据的缓冲称之为顶点缓冲，储存索引缓冲的称之为索引缓冲。如果要创建一个缓冲，我们首先要填充D3D12_RESOURCE_DESC结构，然后调用ID3D12Device的成员函数CreateCommittedResource来创建。如果我们要将资源绑定到渲染管线的话，我们不能直接绑定，我们必须给资源创建描述符然后将描述符绑定到渲染管线上去即可。
  • 我们可以使用HLSL语言来编写顶点着色器，并且让GPU涞执行它，需要注意的是，任何一个顶点着色器必须指定输入的顶点格式和最后输出的时候的顶点格式。每一个被绘制的顶点都会运行(经历)一遍顶点着色器。通过使用顶点着色器，我们能够让程序员对每个顶点都可以进行处理，从而实现一些特别的渲染效果。最后，顶点着色器会输出新的顶点数据，新的顶点数据将会进入到渲染管线的下一个阶段。
  • 常缓冲是一种存储在显存中的资源，我们可以在着色器程序中访问里面的数据。我们通常会创建的时候指明它放在上传堆而不是默认堆，这样的话我们可以直接将数据从内存中拷贝到显存中去，从而实现更新常缓冲的操作。通过这样的方法，我们可以让着色器和我们的程序交互，例如我们可以更换我们的着色器使用的世界变换矩阵。如果需要更新常缓冲，我们需要注意的是，我们的更新是直接将新的数据直接覆盖原本的数据，因此开销并不是单纯的改变一个值那么小，所以在没有必要的时候不建议更新，以及最好避免过多的没用的开销。
  • 像素着色器和顶点着色器是差不多的，但是像素着色器的输入数据是插值过后的顶点数据，输出数据是颜色。需要注意的是，硬件会优化掉那些不可能被采用的像素，即那些像素不会经历像素着色器而被直接丢弃。
  • 大多数管理渲染管线的Direct3D对象最后都会集合在一起，构成渲染管线状态(PSO,ID3D12PipelineState)。我们会将我们设置的所有状态全部集成在PSO里面。并且Direct3D会在创建的时候验证我们的管线的所有的状态是否是互相兼容的，然后会提前生成对应的用于给硬件设置对应状态的代码。