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Direct3D入门指南

1. Direct3D简介

Direct3D是DirectX API的一部分，主要用于向微软平台（包括PC、游戏机和移动设备）的程序员开放3D图形硬件。它是一个原生API，不仅能为游戏、科学和通用应用程序创建3D图形，还能利用底层硬件进行图形处理单元（GPGPU）上的通用计算。

编程Direct3D并非易事，非托管的C++ API和托管的.NET SharpDX API之间存在一些细微差别。接下来我们会简要介绍这些差别，并深入了解图形管道。同时，还会学习如何使用C#和SharpDX进行Direct3D编程，以及一些有用的调试技巧。

2. Direct3D的组件

Direct3D是更大的DirectX API的一部分，由许多组件构成，位于应用程序和图形硬件驱动程序之间。一切都从设备开始，通过各种组件对象模型（COM）接口创建资源并与图形管道进行交互。

2.1 设备

设备的主要作用是枚举显示适配器的功能并创建资源。通常应用程序只会实例化一个设备，且必须至少有一个设备才能使用Direct3D的功能。与之前的版本不同，Direct3D 11中的设备是线程安全的，这意味着可以从任何线程创建资源。

设备可通过以下接口/类访问：
-托管：Direct3D11.Device（Direct3D 11）、Direct3D11.Device1（Direct3D 11.1）和Direct3D11.Device2（Direct3D 11.2）
-非托管：ID3D11Device、ID3D11Device1和ID3D11Device2

后续版本的COM接口继承自前一个版本。例如，如果从Direct3D 11设备实例开始，并查询Direct3D 11.2实现的接口，仍然可以通过得到的设备引用访问Direct3D 11的方法。

在使用托管API在设备上创建资源时，会使用相应类的构造函数，并将设备实例作为第一个参数传入；而非托管API则使用设备接口上的Create方法。例如，创建一个新的混合状态，托管的C# API代码如下：

var blendState = new BlendState(device, desc);

非托管的C++ API代码如下：

ID3D11BlendState* blendState; HRESULT r = device->CreateBlendState(&desc, &blendState);

此外，许多托管类使用重载的构造函数和方法，这些方法仅支持有效的参数组合，减少了对程序员深入理解Direct3D API的依赖。

Direct3D 11引入了Direct3D功能级别来管理不同显卡之间的差异。功能级别定义了一个Direct3D功能矩阵，硬件设备为了满足特定功能级别的要求，必须实现其中的一些强制或可选功能。在创建设备实例时，可以指定应用程序所需的最低功能级别，而硬件设备支持的最高功能级别可通过Device.FeatureLevel属性获取。更多关于功能级别和每个级别可用功能的信息可查看 此处 。

2.2 设备上下文

设备上下文封装了所有渲染功能，包括设置管道状态和使用设备上创建的资源生成渲染命令。

在Direct3D 11中，存在两种类型的设备上下文：即时上下文和延迟上下文，分别实现即时渲染和延迟渲染。

两种上下文类型的接口/类如下：
-托管：Direct3D11.DeviceContext、Direct3D11.DeviceContext1和Direct3D11.DeviceContext2
-非托管：ID3D11DeviceContext、ID3D11DeviceContext1和ID3D11DeviceContext2

• 即时上下文：即时上下文提供对GPU上数据的访问，并能立即对设备执行/回放命令列表。每个设备都有一个即时上下文，同一时间只能有一个线程访问该上下文，但如果进行了适当的线程同步，多个线程可以与即时上下文进行交互。所有对底层设备的命令最终都必须通过即时上下文才能执行。

即时上下文可通过以下方法/属性在设备上获取：
-托管：Device.ImmediateContext、Device1.ImmediateContext1和Device2.ImmediateContext2
-非托管：ID3D11Device::GetImmediateContext、ID3D11Device1::GetImmediateContext1和ID3D11Device2::GetImmediateContext2

• 延迟上下文：延迟上下文具有与即时上下文相同的渲染方法，但命令会被添加到一个名为命令列表的队列中，以便稍后在即时上下文上执行。

使用延迟上下文会带来一些额外的开销，只有在并行处理CPU密集型任务时才会体现出优势。例如，为立方环境贴图的六个面渲染相同的简单场景，使用延迟上下文并不会立即带来性能提升，实际上可能会比直接使用即时上下文增加渲染一帧的时间。但如果有足够的CPU负载，再次渲染相同场景时，可能会比直接在即时上下文上渲染有所改进。不过，延迟上下文的使用不能替代编写良好的引擎，需要仔细评估才能正确利用。

可以从多个线程创建和访问多个延迟上下文实例，但每个实例同一时间只能由一个线程访问。例如，对于延迟上下文A和B，如果线程1只访问延迟上下文A，线程2只访问延迟上下文B（反之亦然），则可以同时从线程1和线程2访问这两个上下文。线程之间共享上下文需要进行线程同步。

生成的命令列表只有在由即时上下文回放时才会对设备执行。如果使用单线程设备创建标志创建设备，尝试创建延迟上下文会导致错误，并且从多个线程访问Direct3D接口的结果也是未定义的。

创建延迟上下文的方法如下：
-托管：new DeviceContext(device)
-非托管：ID3D11Device::CreateDeferredContext

2.3 命令列表

命令列表用于存储Direct3D API命令的队列，以便进行延迟执行或将其合并到另一个延迟上下文中。它有助于高效回放从设备上下文排队的多个API命令。

命令列表在非托管C++中由ID3D11CommandList接口表示，在使用SharpDX的托管C#中由Direct3D11.CommandList类表示。创建和回放命令列表的方法如下：
|操作|托管|非托管|
| ---- | ---- | ---- |
|创建|DeviceContext.FinishCommandList|ID3D11DeviceContext::FinishCommandList|
|回放|DeviceContext.ExecuteCommandList|ID3D11DeviceContext::ExecuteCommandList|

需要注意的是，尝试在延迟上下文上执行命令列表或从即时上下文创建命令列表会导致错误。

2.4 交换链

交换链用于创建一个或多个后台缓冲区，这些缓冲区用于在将渲染数据呈现到输出显示设备之前存储这些数据。交换链负责这些数据的底层呈现，并且在Direct3D 11.1中，支持立体3D显示行为（用于3D眼镜/显示器的左眼和右眼）。如果要将渲染输出发送到当前适配器连接的输出设备，则需要使用交换链。

交换链是DirectX图形基础设施（DXGI）API的一部分，DXGI负责枚举图形适配器、显示模式、定义缓冲区格式、在进程之间共享资源，并最终（通过交换链）将渲染的帧呈现到窗口或输出设备进行显示。

交换链由以下类型表示：
-托管：SharpDX.DXGI.SwapChain和SharpDX.DXGI.SwapChain1
-非托管：IDXGISwapChain和IDXGISwapChain1

2.5 状态

存在多种状态类型，用于控制管道的一些固定功能阶段的行为以及采样器在着色器中的行为。

所有着色器都可以接受多个采样器状态。输出合并器可以接受混合状态和深度模板状态，光栅化器可以接受光栅化器状态。具体类型如下表所示：
|托管类型（SharpDX.Direct3D11）|非托管类型|
| ---- | ---- |
|BlendState|ID3D11BlendState|
|BlendState1|ID3D11BlendState1|
|DepthStencilState|ID3D11DepthStencilState|
|RasterizerState|ID3D11RasterizerState|
|RasterizerState1|ID3D11RasterizerState1|
|SamplerState|ID3D11SamplerState|

2.6 资源

资源是任何用作Direct3D管道输入和/或输出的缓冲区或纹理。通过为资源创建一个或多个视图，然后将这些视图绑定到管道的各个阶段来使用资源。

• 纹理：纹理资源是由纹理像素或纹素组成的集合，纹素是管道可以读写的纹理的最小单位。根据纹理使用的格式不同，一个纹素通常由1到4个组件组成。例如，Format.R32G32B32_Float格式用于在每个纹素中存储三个32位浮点数，而Format.R8G8_UInt格式表示每个纹素包含两个8位无符号整数。在处理压缩格式（Format.BC）时，最小单位是一个4x4纹素的块。

纹理资源可以使用DXGI格式枚举（托管为SharpDX.DXGI.Format，非托管为DXGI_FORMAT）定义的多种不同格式创建。格式可以在创建时应用，也可以在资源视图将其绑定到管道时指定。硬件设备驱动程序可能支持不同用途的不同格式组合，但根据Direct3D的版本，硬件必须支持一些强制格式。可以使用设备的CheckFormatSupport方法来确定特定格式在当前硬件上支持的资源类型和用途。

纹理不仅用于存储图像数据，还可用于存储高度图、位移图等信息，或用于任何需要在着色器中读写的数据结构，以利用硬件对纹理和纹理采样的速度优势。

纹理资源的类型包括：
- 1D纹理和1D纹理数组
- 2D纹理和2D纹理数组
- 3D纹理（或体积纹理）
- 无序访问纹理
- 读写纹理

不同纹理的托管和非托管类型映射如下表所示：
|托管类型（SharpDX.Direct3D11）|非托管类型|
| ---- | ---- |
|Texture1D|ID3D11Texture1D|
|Texture2D|ID3D11Texture2D|
|Texture3D|ID3D11Texture3D|

1D和2D纹理数组通过将与纹理描述关联的子资源数据传递到适当的构造函数进行配置。纹理数组的一个常见用途是支持多渲染目标（MRT）。

• 资源视图：在资源能够在管道的某个阶段使用之前，必须先有一个视图。这个视图告诉管道阶段期望资源的格式以及要访问的资源区域。同一个资源可以使用相同的视图绑定到管道的多个阶段，也可以通过创建多个资源视图来实现。

需要注意的是，虽然一个资源可以绑定到管道的多个阶段，但在同一时间将同一资源作为输入和输出进行绑定可能会受到限制。例如，同一资源的渲染目标视图（RTV）和着色器资源视图（SRV）不能同时绑定到管道。当发生冲突时，只读资源视图将自动从管道中解绑，如果启用了调试层，会向调试输出输出警告消息。

使用无类型格式创建的资源允许同一底层资源由多个资源视图表示，其中兼容的解析格式由视图定义。例如，同时使用深度模板视图（DSV）和SRV的资源，需要使用类似Format.R32G8X24_Typeless的格式创建底层资源。然后SRV指定Format.R32_Float_X8X24_Typeless格式，最后DSV使用Format.D32_Float_S8X24_UInt格式创建。

某些类型的缓冲区可以在没有资源视图的情况下提供给管道的某些阶段，通常是当缓冲区的结构和格式通过其他方式定义时，例如使用状态对象或着色器文件中的结构。

资源视图的类型包括：
- 深度模板视图（DSV）
- 渲染目标视图（RTV）
- 着色器资源视图（SRV）
- 无序访问视图（UAV）
- 视频解码器输出视图
- 视频处理器输入视图
- 视频处理器输出视图

不同资源视图的托管和非托管类型如下表所示：
|托管类型（SharpDX.Direct3D11）|非托管类型|
| ---- | ---- |
|DepthStencilView|ID3D11DepthStencilView|
|RenderTargetView|ID3D11RenderTargetView|
|ShaderResourceView|ID3D11ShaderResourceView|
|UnorderedAccessView|ID3D11UnorderedAccessView|
|VideoDecoderOutputView|ID3D11VideoDecoderOutputView|
|VideoProcessorInputView|ID3D11VideoProcessorInputView|
|VideoProcessorOutputView|ID3D11VideoProcessorOutputView|

• 缓冲区：缓冲区资源用于向图形管道的各个阶段提供结构化和非结构化数据。

缓冲区资源的类型包括：
- 顶点缓冲区
- 索引缓冲区
- 常量缓冲区
- 无序访问缓冲区
- 字节地址缓冲区
- 结构化缓冲区
- 读写缓冲区
- 追加/消费结构化缓冲区

所有缓冲区在托管API中由SharpDX.Direct3D11.Buffer类表示，在非托管API中由ID3D11Buffer表示。其用途由绑定到管道的方式和位置定义。不同缓冲区的绑定标志如下表所示：
|缓冲区类型|托管BindFlags标志|非托管D3D11_BIND_FLAG标志|
| ---- | ---- | ---- |
|顶点缓冲区|VertexBuffer|D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER|
|索引缓冲区|IndexBuffer|D3D11_BIND_INDEX_BUFFER|
|常量缓冲区|ConstantBuffer|D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER|
|无序访问缓冲区|UnorderedAccess|D3D11_BIND_UNORDERED_ACCESS|

无序访问缓冲区还可以通过缓冲区描述中的附加选项/杂项标志进一步分类，如下表所示：
|缓冲区类型|托管ResourceOptionFlags标志|非托管D3D11_RESOURCE_MISC_FLAG标志|
| ---- | ---- | ---- |
|字节地址缓冲区|BufferAllowRawViews|D3D11_RESOURCE_MISC_BUFFER_ALLOW_RAW_VIEWS|
|结构化缓冲区|BufferStructured|D3D11_RESOURCE_MISC_BUFFER_STRUCTURED|
|读写缓冲区|使用字节地址缓冲区/结构化缓冲区，然后在HLSL中使用RWBuffer或RWStructuredBuffer 代替Buffer和StructuredBuffer |/|
|追加/消费缓冲区|一个结构化缓冲区，然后在HLSL中使用AppendStructuredBuffer或ConsumeStructuredBuffer。创建UAV时使用UnorderedAccessViewBufferFlags.Append|/|

3. 可编程管道的阶段

所有Direct3D操作都通过两个管道之一进行，之所以称为管道，是因为信息从一个阶段单向流向另一个阶段。对于所有绘图操作，使用图形管道（也称为绘图管道或渲染管道）；要运行计算着色器，则使用调度管道（也称为DirectCompute管道或计算着色器管道）。

这两个管道在概念上是分开的，不能同时处于活动状态。在两个管道之间进行上下文切换会产生额外的开销，因此应分块使用每个管道，例如，先运行任何计算着色器来准备数据，然后进行所有渲染，最后进行后期处理。

与管道阶段相关的方法可以在设备上下文中找到。对于托管API，每个阶段都分组到一个以管道阶段命名的属性中；对于非托管API，方法通过设备上下文上的阶段缩写直接分组。

3.1 图形管道

图形管道由九个不同的阶段组成，通常用于创建3D场景的2D光栅表示，即将3D模型转换为我们在显示器上看到的内容。其中四个阶段是固定功能阶段，其余五个可编程阶段称为着色器。每个阶段的输出作为输入传递给下一个阶段，同时还会结合绑定的资源。在最后一个阶段，即输出合并器（OM）阶段，输出会发送到一个或多个渲染目标。并非所有阶段都是必需的，尽量减少涉及的阶段数量通常会提高渲染速度。

可选的细分曲面支持由三个细分曲面阶段（两个可编程阶段和一个固定功能阶段）提供：外壳着色器、细分器和域着色器。这些细分曲面阶段需要Direct3D功能级别为11.0或更高。

从Direct3D 11.1开始，每个可编程阶段都能够对无序访问视图（UAV）进行读写操作。UAV是一个使用BindFlags.UnorderedAccess标志（D3D11_BIND_UNORDERED_ACCESS来自D3D11_BIND_FLAG枚举）创建的缓冲区或纹理资源的视图。

以下是图形管道的各个阶段：

graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(输入装配器阶段):::process --> B(顶点着色器阶段):::process B --> C(外壳着色器阶段):::process C --> D(细分器阶段):::process D --> E(域着色器阶段):::process E --> F(几何着色器阶段):::process F --> G(流输出阶段):::process F --> H(光栅化器阶段):::process G --> H H --> I(像素着色器阶段):::process I --> J(输出合并器阶段):::process J --> K(渲染目标):::startend L(内存资源):::process --> A M(无序访问资源):::process --> B M --> C M --> E M --> F M --> I

• 输入装配器（IA）阶段：该阶段从缓冲区读取基本数据（点、线和/或三角形），并将它们组装成基本图元，供后续阶段使用。通常会提供一个或多个顶点缓冲区，以及可选的索引缓冲区作为输入。输入布局告诉输入装配器期望顶点缓冲区的结构。顶点缓冲区本身也是可选的，如果顶点着色器仅以顶点ID作为输入（使用SV_VertexID着色器系统值输入语义），则可以通过程序生成顶点数据，或者使用顶点ID作为索引从资源中检索顶点数据。在这种情况下，输入装配器不会提供输入布局或顶点缓冲区，只需接收要绘制的顶点数量。更多信息可查看 此处 。

直接作用于输入装配器的设备上下文命令可以在DeviceContext.InputAssembler属性中找到，例如DeviceContext.InputAssembler.SetVertexBuffers；对于非托管API，命令以IA开头，例如ID3D11DeviceContext::IASetVertexBuffers。

• 顶点着色器（VS）阶段：顶点着色器允许对输入装配器提供的顶点执行逐顶点操作，包括操作顶点的位置、颜色、纹理坐标和法线等属性。一个顶点最多可以由十六个32位向量（每个向量最多四个组件）组成。一个最小的顶点通常包括位置、颜色和法线向量。为了支持更大的数据集，或者作为使用顶点缓冲区的替代方法，顶点着色器还可以从纹理或UAV中检索数据。即使不需要进行变换，也必须提供一个简单返回顶点而不进行修改的着色器。

用于控制顶点着色器阶段的设备上下文命令分组在DeviceContext.VertexShader属性中；对于非托管API，命令以VS开头，例如DeviceContext.VertexShader.SetShaderResources和ID3D11DeviceContext::VSSetShaderResources。

• 外壳着色器（HS）阶段：外壳着色器是支持硬件加速细分曲面的三个可选阶段中的第一个。它输出控制点和补丁常量数据，用于控制固定功能的细分器阶段。该着色器还通过排除不需要细分的补丁（通过应用细分因子为零）来执行裁剪操作。与其他着色器不同，外壳着色器由两个HLSL函数组成：补丁常量函数和外壳着色器函数。此着色器阶段要求输入装配器阶段将其中一种补丁列表拓扑设置为其活动基本拓扑（例如，托管的SharpDX.Direct3D.PrimitiveTopology.PatchListWith3ControlPoints和非托管的D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_3_CONTROL_POINT_PATCHLIST）。

控制外壳着色器阶段的设备上下文命令分组在DeviceContext.HullShader属性中；对于非托管设备，命令以HS开头。

• 细分器阶段：细分器阶段是可选细分曲面阶段中的第二个，是一个固定功能阶段，用于将四边形、三角形或线细分为更小的对象。细分因子和细分类型由外壳着色器阶段的输出控制。与其他固定功能阶段不同，细分器阶段没有直接控制其状态的方法，所有必需的信息都包含在外壳着色器阶段的输出中，并通过基本拓扑的选择以及外壳着色器和域着色器的配置来隐含。

• 域着色器（DS）阶段：域着色器是可选细分曲面阶段中的最后一个可编程阶段，用于计算细分过程中生成的细分点的最终顶点位置。该着色器阶段中的操作类型通常与不使用细分曲面阶段时的顶点着色器非常相似。

控制域着色器阶段的设备上下文命令分组在DeviceContext.DomainShader属性中；对于非托管API，命令以DS开头。

• 几何着色器（GS）阶段：可选的几何着色器阶段运行的着色器代码以整个基本图元或带有邻接信息的基本图元作为输入，并能够在输出时生成新的顶点（三角形条带、线条条带或点列表）。该阶段的独特之处在于其输出可以流向光栅化器阶段，和/或通过流输出阶段（SO）发送到顶点缓冲区。为了提高性能，必须尽量减少流入和流出几何着色器的数据量，因为该阶段可能会显著降低渲染性能。几何着色器的用途包括在一次传递中渲染环境贴图的多个面，以及点精灵/广告牌（常用于粒子系统）。在Direct3D 11之前，几何着色器可用于实现细分曲面。

控制几何着色器阶段的设备上下文命令分组在GeometryShader属性中；对于非托管API，命令以GS开头。

• 流输出（SO）阶段：流输出阶段是一个可选的固定功能阶段，用于将几何着色器的输出几何数据输出到顶点缓冲区，以便在管道的另一次传递中重新使用或进一步处理。设备上下文中控制流输出阶段的命令只有两个，位于设备上下文的StreamOutput属性中：GetTargets和SetTargets（非托管为SOGetTargets和SOSetTargets）。

• 光栅化器阶段（RS）：光栅化器阶段是一个固定功能阶段，用于将矢量图形（点、线和三角形）转换为光栅图形（像素）。该阶段执行视锥体裁剪、背面剔除、早期深度/模板测试、透视除法（将顶点从裁剪空间坐标转换为归一化设备坐标），并将顶点映射到视口。如果指定了像素着色器，光栅化器会为每个像素调用该着色器，并将每个基本图元上的逐顶点值插值结果作为像素着色器的输入。可以对像素着色器输入结构应用额外的插值修饰符，以告诉光栅化器阶段对每个属性应使用的插值方法。更多信息可查看 此处 。

当使用多重采样时，光栅化器阶段可以向像素着色器提供一个额外的覆盖掩码，指示哪些样本被像素覆盖。这通过SV_Coverage系统值输入语义提供。如果像素着色器指定了SV_SampleIndex输入语义，光栅化器将为每个像素的每个样本调用一次像素着色器（例如，一个4xMSAA渲染目标将导致为每个像素调用四次像素着色器）。

控制光栅化器阶段状态的设备上下文命令分组在设备上下文的Rasterizer属性中；对于非托管API，命令以RS开头。

• 像素着色器（PS）阶段：像素着色器是最后一个可编程阶段，执行一个着色器程序，用于执行逐像素操作，以确定每个像素的最终颜色。该阶段的操作包括逐像素光照和后期处理。

控制像素着色器阶段的设备上下文命令分组在PixelShader属性中；对于非托管API，命令以PS开头。

• 输出合并器（OM）阶段：输出合并器阶段是图形管道的最后一个阶段，是一个固定功能阶段，用于生成最终渲染的像素颜色。可以绑定深度模板状态来控制z缓冲，绑定混合状态来控制像素着色器输出与渲染目标的混合。

控制输出合并器阶段状态的设备上下文命令分组在OutputMerger属性中；对于非托管API，命令以OM开头。

3.2 调度管道

调度管道是执行计算着色器的地方，该管道只有一个阶段：计算着色器阶段。调度管道和图形管道不能同时运行，在两者之间切换上下文会产生额外的开销，因此应尽可能将对调度管道的调用分组进行。

graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(内存资源):::process --> B(计算着色器阶段):::process C(无序访问资源):::process --> B B --> D(输出):::startend

4. 着色器和高级着色器语言

图形管道由固定功能阶段和可编程阶段组成，可编程阶段称为着色器，使用小型高级着色器语言（HLSL）程序进行编程。HLSL通过一系列着色器模型实现，每个模型都在前一个版本的基础上进行扩展。每个着色器模型版本支持一组着色器配置文件，这些配置文件表示编译着色器的目标管道阶段。Direct3D 11引入了着色器模型5（SM5），它是着色器模型4（SM4）的超集。例如，ps_5_0表示一个着色器程序用于像素着色器阶段，并且需要SM5。

Direct3D入门指南

5. 调试Direct3D应用程序

在开发Direct3D应用程序时，调试是确保程序正常运行和优化性能的重要环节。以下是一些调试Direct3D应用程序的技巧和方法。

5.1 启用调试层

在创建设备时，可以启用调试层来获取更详细的错误信息和警告。对于托管API，可以在创建设备时传入DeviceCreationFlags.Debug标志；对于非托管API，可以在创建设备时传入D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG标志。

// 托管API启用调试层 var device = new Direct3D11.Device(DriverType.Hardware, DeviceCreationFlags.Debug);

// 非托管API启用调试层 D3D11CreateDevice(nullptr, D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE, nullptr, D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG, nullptr, 0, D3D11_SDK_VERSION, &device, nullptr, &context);

启用调试层后，当出现错误或不符合规范的操作时，会在调试输出窗口中输出详细的错误信息和警告，帮助开发者定位问题。

5.2 检查返回值

在使用Direct3D API时，许多函数会返回一个表示操作结果的返回值。开发者应该检查这些返回值，以确保操作成功。例如，在非托管API中，很多函数返回HRESULT类型的值，可以使用SUCCEEDED或FAILED宏来检查操作是否成功。

HRESULT hr = device->CreateBlendState(&desc, &blendState); if (FAILED(hr)) { // 处理错误 }

5.3 使用调试工具

除了启用调试层和检查返回值外，还可以使用一些调试工具来辅助调试Direct3D应用程序。例如，Visual Studio提供了图形调试工具，可以捕获和分析Direct3D的渲染过程，查看每个阶段的输入和输出数据，帮助开发者找出渲染问题。

使用Visual Studio的图形调试工具的步骤如下：
1. 在Visual Studio中打开Direct3D应用程序项目。
2. 设置断点或选择要捕获的帧。
3. 启动调试会话，当程序执行到断点或选择的帧时，使用图形调试工具捕获当前帧的渲染信息。
4. 在图形调试工具中查看每个阶段的输入和输出数据，分析渲染过程。

6. 构建Direct3D 11应用程序

了解了Direct3D的组件、管道阶段和调试方法后，下面介绍如何使用C#和SharpDX构建一个简单的Direct3D 11应用程序。

6.1 创建设备和交换链

首先，需要创建设备和交换链。以下是一个使用托管API创建设备和交换链的示例代码：

using SharpDX; using SharpDX.D3DCompiler; using SharpDX.Direct3D; using SharpDX.Direct3D11; using SharpDX.DXGI; using System; using System.Windows.Forms; namespace Direct3D11App { class Program { static void Main() { // 创建窗体 var form = new Form(); form.ClientSize = new System.Drawing.Size(800, 600); form.Text = "Direct3D 11 Application"; // 创建设备和交换链 var factory = new Factory1(); var adapter = factory.GetAdapter(0); var device = new Device(adapter, DeviceCreationFlags.Debug); var swapChainDescription = new SwapChainDescription() { BufferCount = 1, ModeDescription = new ModeDescription(form.ClientSize.Width, form.ClientSize.Height, new Rational(60, 1), Format.R8G8B8A8_UNorm), IsWindowed = true, OutputHandle = form.Handle, SampleDescription = new SampleDescription(1, 0), SwapEffect = SwapEffect.Discard, Usage = Usage.RenderTargetOutput }; var swapChain = new SwapChain(factory, device, swapChainDescription); // 禁用Alt+Enter快捷键 factory.MakeWindowAssociation(form.Handle, WindowAssociationFlags.IgnoreAltEnter); // 创建渲染目标视图 var renderTargetView = new RenderTargetView(device, swapChain.GetBackBuffer<Texture2D>(0)); // 设置视口 var viewport = new Viewport(0, 0, form.ClientSize.Width, form.ClientSize.Height); device.ImmediateContext.Rasterizer.SetViewport(viewport); // 主循环 Application.Idle += (sender, args) => { if (form.IsDisposed) return; // 清除渲染目标 device.ImmediateContext.ClearRenderTargetView(renderTargetView, Color.CornflowerBlue); // 呈现帧 swapChain.Present(1, PresentFlags.None); }; // 显示窗体 Application.Run(form); // 释放资源 renderTargetView.Dispose(); swapChain.Dispose(); device.Dispose(); adapter.Dispose(); factory.Dispose(); } } }

上述代码的主要步骤如下：
1. 创建一个Windows窗体作为应用程序的窗口。
2. 使用Factory1和Adapter创建设备。
3. 定义交换链的描述，并使用SwapChain创建交换链。
4. 禁用Alt+Enter快捷键，避免窗口模式切换。
5. 创建渲染目标视图，用于将渲染结果输出到交换链的后台缓冲区。
6. 设置视口，定义渲染的区域。
7. 在主循环中，清除渲染目标并呈现帧。
8. 最后，释放所有资源。

6.2 加载和使用着色器

在创建好设备和交换链后，接下来可以加载和使用着色器。以下是一个简单的顶点着色器和像素着色器示例：

顶点着色器（VertexShader.hlsl）：

struct VS_INPUT { float4 Position : POSITION; }; struct VS_OUTPUT { float4 Position : SV_POSITION; }; VS_OUTPUT main(VS_INPUT input) { VS_OUTPUT output; output.Position = input.Position; return output; }

像素着色器（PixelShader.hlsl）：

float4 main(float4 position : SV_POSITION) : SV_TARGET { return float4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f); }

在C#代码中加载和使用着色器的示例如下：

// 编译顶点着色器 var vertexShaderBytecode = ShaderBytecode.CompileFromFile("VertexShader.hlsl", "main", "vs_5_0"); var vertexShader = new VertexShader(device, vertexShaderBytecode); // 编译像素着色器 var pixelShaderBytecode = ShaderBytecode.CompileFromFile("PixelShader.hlsl", "main", "ps_5_0"); var pixelShader = new PixelShader(device, pixelShaderBytecode); // 设置顶点着色器和像素着色器 device.ImmediateContext.VertexShader.Set(vertexShader); device.ImmediateContext.PixelShader.Set(pixelShader);

上述代码的主要步骤如下：
1. 使用ShaderBytecode.CompileFromFile方法编译顶点着色器和像素着色器。
2. 使用编译后的字节码创建VertexShader和PixelShader对象。
3. 使用device.ImmediateContext.VertexShader.Set和device.ImmediateContext.PixelShader.Set方法设置顶点着色器和像素着色器。

7. 总结

通过本文的介绍，我们了解了Direct3D的基本概念、组件、可编程管道的阶段，以及如何调试和构建Direct3D应用程序。Direct3D是一个强大的图形API，可以用于创建高性能的3D图形应用程序。在实际开发中，开发者需要根据具体需求选择合适的组件和技术，同时注意调试和优化，以确保应用程序的稳定性和性能。

希望本文能够帮助你入门Direct3D开发，在后续的学习和实践中，你可以进一步深入研究Direct3D的高级特性和应用场景，开发出更加复杂和精彩的3D图形应用程序。