1 DirectX12

1.1 DirectX 简介

DirectX 是 Windows 中的一组组件，允许游戏、软件直接与视频和音频硬件结合使用。 使用 DirectX的游戏可以更有效地使用内置于硬件的多媒体加速器功能，从而改善整体的多媒体体验。

1.2 DirectX SDK安装

• 方法1，通过Windows 10 SDK安装，官网下载最新版本：Windows SDK
  
• 方法2，通过VS安装，做为一个开发人员，我更喜欢这种方式
  
  安装完成后，我们可以了解下DirectX SDK头文件目录和库文件目录。
  头文件目录：

C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\shared
C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\um

库文件目录 ：

C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\um\x64

（注意：10.0.19041.0是我电脑上面的版本，大家的可能不一样）

2 D3D12初始化

有了开发环境，我们来完成D3D12初始化。

2.1 创建Windwos桌面项目

我们创建一个Windwos桌面项目，从头开始学习D3D11的初始化过程。
打开Visutal Studio 2022，选择菜单：文件->新建->项目，创建新项目。选择C++类型，输入 Windows桌面向导 进行筛选，在结果中选择“Windows桌面向导”，点击下一步。

配置项目名称和地址，点击创建

在弹出来的对话框中选择“桌面应用程序（.exe）”，勾选 “空项目”，点击确定建建一个空的Windwos桌面项目。
我这里没有勾选“空项目”，主要是偷懒不想写注册窗口和消息处理。

2.2 修改符合模式

创建项目后在项目属性找c/c++，找到语言，找到符合模式选否。不改碰到错误时再改也行。

2.3 下载d3dx12.h文件

打开官方github上面的d3dx12.h文件，把里面的代码拷贝下来。在工程解决方案里创建一个叫DXUtils的文件夹，在这个文件夹下新建一个d3dx12.h文件，把内容放在里面。
这个文件里面是官方写好的一些辅助结构体，不属于DirectX 12 SDK的核心部分，但是可以通过微软官方网站下载获得，方便我们后面开发。
以CD3DX12作为前缀的结构体全都定义在d3dx12.h头文件当中。

2.4 创建一个异常类D3DException，定义抛出异常实例的宏ThrowIfFailed

#pragma once

#include <windows.h>	// Windows 头文件
#include<string>        // 提供wsring类,在Windows平台上应该使用wstring和wchar_t

// 定义异常类
class D3DException
{
   
public:
    D3DException() = default;
    // 显示：异常函数的返回值、函数名、代码所处文件名，所处代码行数
    D3DException(HRESULT hr, const std::wstring& functionName, const std::wstring& filename, int lineNumber)
    {
   
        ErrorCode = hr;
        FunctionName = functionName;
        Filename = filename;
        LineNumber = lineNumber;
    }

    std::wstring ToString()const;

    HRESULT ErrorCode = S_OK;
    std::wstring FunctionName;
    std::wstring Filename;
    int LineNumber = -1;
};

// AnsiToWString函数（将字符串映射到 UTF-16 (宽字符) 字符串）
inline std::wstring AnsiToWString(const std::string& str)
{
   
    WCHAR buffer[512];
    MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, str.c_str(), -1, buffer, 512);
    return std::wstring(buffer);
}

// 如果发生异常，抛出一个异常实例
#ifndef ThrowIfFailed
#define ThrowIfFailed(x)                                              \
{
                                                                          \
    HRESULT hr__ = (x);                                               \
    std::wstring wfn = AnsiToWString(__FILE__);                       \
    if(FAILED(hr__)) {
      throw D3DException(hr__, L#x, wfn, __LINE__); } \
}
#endif

3 D3D12的初始化步骤

准备工作做发了，下面我们就来完成D3D12的初始化

要初始化D3D12，首先需要创建D3D12设备（ID3D12Device）。我们可以通过该ID3D12Device与硬件进行交互，命令硬件完成一些工作（比如：在显存中分配资源、清空后台缓冲区、将资源绑定到各种管线阶段、绘制几何体）。具体而言：

接口	说明
ID3D12Device	代表着一个显示适配器，显示适配器一般指3D图形硬件即显卡。显示适配器也可以用软件通过模拟硬件显卡的计算处理过程来代替，软件也可以作为适配器（如WARP适配器）。

• Direct3D设备既可以检测系统环境对功能的支持情况，又能创建所有其他的Direct3D接口对象（如资源、视图和命令列表）。
• 创建Direct3D设备使用函数D3D12CreateDevice。

现在我们开始在MyD3DApp.cpp中来增加设备的初始化。

3.1 初始化前的准备

3.1.1 增加头文件的引用：

#include<wrl.h>         // 提供了ComPtr类，它是COM对象的智能指针，使我们无需手动Release
#include<d3d12.h>       // Direct3D12头文件，ID3D12开头类型始于此
#include<dxgi1_4.h>     // DirectX图形基础设施头文件，IDXGI开头类型始于此
#include<string>        // 提供wsring类,在Windows平台上应该使用wstring和wchar_t
#include<assert.h>
#include "DXUtils/d3dx12.h"

3.1.2 引用Direct3D库文件、IDXGI库文件

// 引用Direct3D库文件
#pragma comment (lib, "d3d12.lib")
// 引用IDXGI库文件
#pragma comment (lib, "dxgi.lib")

增加使用Windows运行时库（Windows Runtime Library，WRL）为COM对象提供的COM对象的智能指针Microsoft::WRL::ComPtr类的命名空间。

using namespace Microsoft::WRL; // 方便使用Microsoft::WRL::ComPtr类   

3.1.5 增加InitDirect3D函数

// 初始化Direct3D
bool InitDirect3D()
{
   
}

除了全局变量，后面的代码都在InitDirect3D中增加

3.1.6 启用D3D12的调试层

#if defined(DEBUG) || defined(_DEBUG) 
    // 如果在Debug模式，启用D3D12的调试层，
    // 启用调试后，D3D会在错误发生时向VC++的输出窗口发送调试信息
    {
   
        ComPtr<ID3D12Debug> debugController;
        ThrowIfFailed(D3D12GetDebugInterface(IID_PPV_ARGS(&debugController)));
        debugController->EnableDebugLayer();
    }
#endif

3.2 创建Direct3D设备

3.2.1 增加IDXGIFactory和ID3D12Device两个全局的COM对象智能指针

// IDXGIFactory: DXGI中最关键的接口之一，可以枚举显示适配器
ComPtr<IDXGIFactory4> mdxgiFactory;

// ID3D12Device: 代表一个显示适配器（显卡）
ComPtr<ID3D12Device> md3dDevice;

• D3D12Device 就是Direct3D中用于提供显卡控制接口的对象，它代表着当前系统中的显示适配器。一般来说，它是一个3D图形硬件(如显卡), 但是，操作系统在没有显卡的时候也能正常的显示图像，这时候使用的就是软件显示适配器，如(WARP适配器)
• 获取显示适配器
  显示适配器是真正实现了图形处理能力的对象，上面的D3D12Device是对显示适配器的进一步封装。
  这是我系统中的显示适配器
  
  那么在程序中我们怎么才能知道使用的是哪个适配器呢，毕竟游戏的使用性能较高的适配较好。
• 我们了解下DXGI的概念。
  DXGI是一种与Direct3D配合使用的API，设计DXGI的基本理念是使得多种图形API中的底层任务能够使用通用的API，比如3D和2D的图形API在底层都可以使用相同的，比如Direct3D和Direct2D内部实现交换链时可以使用同一套接口。
  我们在获取系统的可用显示适配器时，会使用到 IDXGIFactory，主要用于创建SwapChain以及枚举显示适配器
  后面的代码会使用IDXGIFactory4来枚举系统中的显示适配器

3.2.2 创建一个D3D12设备

    // 创建可用于生成其他 DXGI 对象的 DXGI 1.0 Factory
    ThrowIfFailed(CreateDXGIFactory1(IID_PPV_ARGS(&mdxgiFactory)));

    // 创建一个D3D硬件适配器
    // D3D12CreateDevice参数为：(适配器指针，应用程序所需最低功能级别，所建ID3D12Device接口的COM ID）
    // 返回所创建的D3D12设备
    HRESULT hardwareResult = D3D12CreateDevice(
        nullptr,                   // 适配器指针，创建设备时用的显示适配器，适配器指针传入nullptr表示使用主显示适配器
        D3D_FEATURE_LEVEL_12_0,    // 应用程序需要硬件支持的最低功能级别
        IID_PPV_ARGS(&md3dDevice));// IID_PPV_ARGS是Direct3D为我们提供的一个工具宏，它为我们生成了接口中的后两个参数

IID_PPV_ARGS宏会展开为两项，第一项根据__uuidof获取了COM对象的ID（全局唯一标识符，GUID），IID_PPV_ARGS辅助函数本质是把指针强制转换为void类型

3.2.3 如果创建主显示适配器失败，使用WARP软件适配器

    // 创建主显示适配器失败，使用WARP软件适配器
    if (FAILED(hardwareResult))
    {
   
        ComPtr<IDXGIAdapter> pWarpAdapter;
        ThrowIfFailed(mdxgiFactory->EnumWarpAdapter(IID_PPV_ARGS(&pWarpAdapter)));

        // 不同windows版本的WARP最高支持的功能级别也不同
        // 再次创建D3D设备时，仅适配器指针参数不同，传入WARP适配器指针
        ThrowIfFailed(D3D12CreateDevice(
            pWarpAdapter.Get(),
            D3D_FEATURE_LEVEL_12_0,
            IID_PPV_ARGS(&md3dDevice)
        ));
    }

3.3 创建围栏

CPU和GPU的同步需要使用到围栏，第一步中我们创建好设备，第二步就可以创建围栏了。
另外，如果使用描述符进行工作，需要获取描述符的大小。描述符在不同GPU平台上的大小不同，因此我们需要将获取的描述符大小信息缓存起来，方便需要时直接引用。

3.3.1 增加全局围栏和描述符变量

// ID3D12Fence: 表示围栏
ComPtr<ID3D12Fence> mFence;

// RTV描述符大小，RTV描述符: 渲染目标视图资源
UINT mRtvDescriptorSize = 0;
// DSV描述符大小，DSV描述符: 深度/模板视图资源
UINT mDsvDescriptorSize = 0;
// CbvSrvUav描述符大小，CBV描述符: 常量缓冲区视图资源...
UINT mCbvSrvUavDescriptorSize = 0;

3.3.2 创建D3D12围栏

bool CreateD3DFence()
{
   
    // 创建围栏
    ThrowIfFailed(md3dDevice->CreateFence(
        0,
        D3D12_FENCE_FLAG_NONE,
        IID_PPV_ARGS(&mFence)
    ));

    // 获取描述符大小
    mRtvDescriptorSize = md3dDevice->GetDescriptorHandleIncrementSize(D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_RTV);
    mDsvDescriptorSize = md3dDevice->GetDescriptorHandleIncrementSize(D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_DSV);
    mCbvSrvUavDescriptorSize = md3dDevice->GetDescriptorHandleIncrementSize(D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_CBV_SRV_UAV);
}

可以看到新出现的四个变量都是通过 md3dDevice 对象获取到的，这说明：
 1. Direct3D12 设备对象能创建所有其他的Direct3D接口对象。
 2. COM对象需要使用特定方法或通过其他COM对象的方法获取。

3.3.3 我们来了解下资源与描述符

• 在渲染过程中，GPU需要对资源进行读和写。但是GPU和资源并不是直接绑定的，而是通过一个中间角色 “描述符”来进行绑定的。
• 描述符是一种对送往GPU的资源进行描述的轻量级结构，它是一个中间层。当GPU需要对资源进行读或写时，GPU就会问描述符：资源在哪里，我应该按照哪种数据格式进行读写。
• 描述符的作用有两点：
   1. 指定资源数据。
   2. 为GPU解释资源信息。
• 创建资源时可用无类型格式，如DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_TYPELESS类型，它是4个分量组成，每个分量占8个位。如果某个资源在创建时采用了无类型格式，那么在为它创建描述符时必须指明其具体类型。
• 注意：视图和描述符的含义是等价的。
• 每个描述符都有一种具体类型，用来明确资源的具体作用，常用的描述符如下：

描述符	说明
CBV	常量缓冲区视图
SRV	着色器资源视图
UAV	无序访问视图
sampler	采样器资源描述符
RTV	渲染目标视图资源
DSV	深度/模板视图资源

• 描述符堆中存有一系列描述符，本质上是存放用户程序中某特定类型描述符的一块内存。我们需要为每一种类型的描述符创建出单独的描述符，当然同一种描述符也可以创建多个描述符堆。
• 我们可以用不同的描述符来描述同一个资源，达到以不同的数据格式或内容部分去读写资源的目的。
• 由于创建描述符的过程中需要执行一些类型的检测和验证工作，最好不要在运行时才创建描述符，创建描述符的最佳时机为初始化期间。
• 当然有时确实需要使用无类型资源所带来的灵活性，此时在一定限度内，可以考虑在运行时创建描述符。

3.4 检测对4X MSAA 质量级别的支持

我们要使用4X MSAA，之所以选择4X，是因为借助此采样数量就可以获取开销不高但性能非凡的效果。而使用4X MSAA之前，我们要先检查设备是否支持4X MSAA 质量级别的图像。

3.4.1 增加全局资源数据格式和4X MASS质量级别变量

void Check4XMSAA()
{
   
    // DXGI_FORMAT: 资源数据的格式，一种枚举类型 
    DXGI_FORMAT mBackBufferFormat = DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;

    // 检测对4X MASS质量级别的支持
    D3D12_FEATURE_DATA_MULTISAMPLE_QUALITY_LEVELS msQualityLevels;

    msQualityLevels.Format = mBackBufferFormat;                         // 纹理格式
    msQualityLevels.SampleCount = 4;                                    // 采样次数
    msQualityLevels.Flags = D3D12_MULTISAMPLE_QUALITY_LEVELS_FLAG_NONE; // 默认选项
    msQualityLevels.NumQualityLevels = 0;                               // 质量级别

    // 使用ID3D12Device::CheckFeatureSupport函数，查询我们设置的这种图像质量的级别
    ThrowIfFailed(md3dDevice->CheckFeatureSupport(
        D3D12_FEATURE_MULTISAMPLE_QUALITY_LEVELS