在游戏和图形开发领域,Direct3D一直是微软Windows平台上主导的图形API。自2015年Windows 10发布以来,Direct3D 12(以下简称D3D12)成为推动高效能实时渲染的基石。伴随着今年D3D12迎来十周年,回顾其变革历程,不仅令人感慨技术演进的速度,更能洞察未来图形API的发展脉络。 D3D12的出现, 标志着微软对低级别图形控制的正式支持,旨在最大限度释放现代GPU性能。与前代版本相比,D3D12弃用了过于抽象的状态机,转而采用更接近硬件的资源管理和命令提交机制,极大提升了开发者控制权和性能优化空间。尽管十年间大版本更新屈指可数,API本身却在不断追加新接口、功能及更广泛的Shader模型,赋予其强大的生命力。
核心API方面的添加涵盖了很多高级功能。例如可编程采样点允许开发者自定义MSAA的子采样位置,虽然MSAA现如今不再风行,但这种灵活性为软件实现的变速着色(Variable Rate Shading,VRS)提供了支持。VRS本身作为降低像素着色器线程数的技术,实现了基于内容复杂度动态调整像素着色率。其支持多种模式,包括基于Draw调用、基于图元或每屏幕瓦片的细粒度调节,这使得渲染过程能更智能地节约计算资源。 此外,利用View Instancing技术,开发者可以高效渲染VR或3D立体画面。此技术实现多视图渲染的实例化设计,通过着色器中的视图ID输入,针对每个视图应用独特的变换矩阵,简化了VR开发管线。
配合深度界限测试,D3D12确保绘制操作只影响设定深度范围内的像素,有助于高效的场景管理及光照计算。 资源管理方面,Relaxed Format Casting的引入将原本严格格式转换规则放宽,允许开发者以更灵活的方式创建兼容格式的资源视图,尤其极大地点亮了深度缓冲区的使用,避免过去因使用TYPELESS格式带来的潜在性能损失。Parallel地,Directly Writing to Block-Compressed Formats功能令GPU直接写入块压缩纹理成为可能,这对纹理压缩和GPU端纹理编码优化有极大助益。 RDNA2及以上架构的AMD GPU支持Writable R9G9B9E5格式,拓展了GPU渲染时处理高精度共享指数格式文本的能力,在HDR以及高动态范围场景下表现更佳。与之配合的是WriteBufferImmediate与OpenExistingHeapFromAddress这两项API,组合使用能极大辅助GPU故障调试,尤其是在设备移除时读取"面包屑"调试信息,帮开发者准确定位崩溃点,这与Device Removed Extended Data(DRED)功能协同,为GPU崩溃分析带来里程碑级改进。 不可忽略的是针对现代多GPU环境与开发流程的Agility SDK和独立设备支持,这降低了D3D12新特性在用户端的推广阻力,将API升级和功能更新剥离出OS大版本升级,提升了开发与部署的灵活性。
Debug Layer Callback则提升了调试体验,开发者如今能实时捕获错误消息,结合断点机制加快问题排查。 图形渲染中的一个重大技术飞跃是D3D12对硬件加速光线追踪(DXR)的支持,彻底改变了光线追踪的API范式。DXR引入了两大主要流水线:结构化DispatchRays和更为灵活的RayQuery,满足从传统射线生成着色到内联射线追踪的需求。开发者可以灵活构造加速结构(BVH),实现高效率的实时光线-三角形相交检测。未来DXR 1.2版本预计引入Shader Execution Reordering,进一步优化硬件波执行,减少着色分支发散,提高着色效率。 Mesh Shaders作为另一革命性进步,从传统固定流程转向更为程序化的网格生成和处理流程。
通过Mesh Shader与可选的Amplification Shader,细化网格拆分与实例剔除,实现基于网格簇的高效渲染管理。GPU端生成几何的灵活度大幅提升,开发者可自由实现顶点解压缩、三角剔除,甚至通过Compute逻辑实现复杂的可编程渲染管线。 Work Graphs作为近年新增的调度模型,提供GPU自驱动计算的新范式。通过构建计算节点图,GPU可自主发起后续计算工作,无需CPU频繁干预,有望显著降低分布式计算开销,提升多阶段计算任务的吞吐与并行性。虽然性能表现取决于具体硬件,但该机制无疑代表了GPU计算形态朝向更加智能和细粒度控制的未来方向。 Shader编程语言HLSL同样经历了诸多演进。
Wave Operations和Quad Operations的引入,为同波束内线程间高效通信提供了强大工具,避免了过度依赖共享内存带来的复杂同步问题。16位浮点和整数支持为内存和寄存器优化提供了新手段,尤其在低精度计算场景表现出色。Barycentrics则允许基于三角形表面坐标实现更加多样的顶点属性插值和抗锯齿细线绘制。 新的Shader特性还包括Shader Libraries和链接机制,使着色器模块化编译和复用成为可能。辅助的Lane检测与控制机制,使得处理特殊像素线程更为简单,例如通过识别Helper Lane,优化舍弃(discard)逻辑。动态资源系统和波大小管理进一步增强Shader灵活性与设备兼容性。
语言级别的突破也不可忽视。HLSL引入了枚举、模板支持及运算符重载,极大提升代码可读性与复用度。C++风格的函数重载和作用域管理改进,解决了以往HLSL在重载解析和循环变量生命周期方面的古怪行为,使编码体验更加自然。位域支持尤其对GPU紧凑数据编码极为关键。 逐渐成熟的绑定模型也体现了D3D12对易用性的不断重视。彻底拥抱Bindless资源与"用户态绑定",通过ResourceDescriptorHeap简化资源句柄管理,将根签名复杂度降低到只关注全局或不变数据。
此举不仅简化了宿主代码,还让Shader端资源索引更加统一、灵活,便于实现复杂场景下的资源访问和着色灵活性。开发者能自然地共享HLSL与C++结构体定义,减少了代码重复和反射需求,提升整体维护效率。 值得一提的是Debug功能的进阶。结合SHADER printf与调试绘制,开发者能够在Shader中输出细粒度变量状态及直接将调试图形绘制到屏幕,显著缓解传统GPU调试困难。这类工具使得调试深度着色逻辑、光线追踪着色器等极具挑战所在环节变得切实可行。 十年沉淀之下,Direct3D 12不仅成为现代图形开发不可或缺的工具,也推动了GPU计算范式的革新。
从低级资源管理,到光线追踪与mesh shader的开创性支持,再到灵活的Shader语言特性,所有这些进步都让开发者拥有了更高的自主权和效率。面向未来,D3D12的持续生态完善与硬件新特性结合,无疑将在实时渲染、VR/AR、游戏开发等领域继续发挥重要作用。 总结来看,D3D12十年的历程是一次典型的技术革新及成熟发展路径。从初期的低级API解放,到如今高度复杂的渲染和计算管线,微软持续调整和丰富API,简化开发流程,提升性能潜力,为开发者带来了更为强大和灵活的图形编程体验。未来十年,无论是基于光线追踪的逼真渲染,还是GPU自主计算新范式的推广,D3D12都将继续扮演举足轻重的角色。 。
