Обзор DirectX9.
Автор: Антон В. Звягинцев
В этой статье я постараюсь рассмотреть большинство интересных нововведений (насколько мне это позволит мой воспалённый житейскими неурядицами и радостями разум) DirectX 9, по возможности разбавляя сухие выдержки из прилагаемой с СДК документации своими собственными наблюдениями. Эта статья будет также полезна и для новичков, так как я постараюсь затронуть некоторые общие аспекты, без которых приведённое описание для человека впервые начавшего заниматься компьютерной графикой и DirectX в частности, будет неполным. Тем не менее, это всего лишь первый беглый взгляд, обзор возможностей... и обзор субъективный.
Если ранее можно было сомневаться на счёт будущего DirectX, когда скажем в версии DX 3.0, DirectInput представлял из себя враппер над Win32 функциями, то сейчас, когда с каждой новой версией объём возможностей расширяется, а написание программного обеспечения упрощается, ни у кого уже не возникает сомнения, ставить ли новую версию DirectX библиотек или нет. Тем более, вряд ли у кого-то из разработчиков, если конечно они не ориентируются на конкретную версию с определенной целью, возникнет сомнение на счёт перехода на новую версию SDK. Впрочем, ещё раз подчеркну, что это лишь моё субъективное мнение :)
Это страшное слово DirectX
Почему именно DirectX?
Что день грядущий нам готовит
Это страшное слово DirectX
Знатоки могут пропустить следующие несколько абзацев. Что же такое DirectX? Это набор мультимедийных драйверов, которые зачастую в обход стандартных сервисов ОС позволяют напрямую обращаться к конечному оборудованию используя по все его аппаратные возможности. Более того, некоторые Win32 сервисы используют DirectX ядро для своих собственных нужд. Набор мультимедийных АПИ и драйверов высокого уровня - пожалуй, это будет наилучшим определением. Высокого, потому что в цепочке между самим DirectX и конечным оборудованием стоят ещё и драйвера производителя конкретного оборудования. Всегда следует помнить обобщенную схему взаимодействия конечного приложения с аппаратным обеспечением: Приложение - DirectX - Драйвера - Оборудование.
DirectX состоит из нескольких компонент. Каждая из компонент обеспечивает функциональность в определенном направлении, как-то:
· DirectX Graphics — 2D/3D графика.
· DirectShow — Потоковое видео.
· DirectInput — Различные устройствами ввода.
· DirectSound и DirectMusic — Звук.
· DirectPlay — Стандартный интерфейс для создания сетевого взаимодействия на базе различных сетевых протоколов и провайдеров (Под провайдером, конечно, понимается не та фирма у которой ты дорогой читатель приобретаешь доступ в интернет :).
Примечание: Среди выше перечисленных компонент не упомянут DirectSetup - небольшой API для работы с установкой DX на конечном компьютере.
Большая часть функциональности девятой и предыдущих версий DX строится на основе COM объектов, доступ к которым мы получаем через интерфейсы. Если коротко - COM модель представляет собой более жесткое определение объектно-ориентированной модели. С COM объектами мы работаем только через интерфейсы. Каждая компонента DirectX будь то, к примеру, DirectInput или DirectSound содержит некоторое количество интерфейсов с использованием функций которых мы получаем доступ к возможностям объекта. Грубо говоря, интерфейс представляет собой класс, содержащий в себе указатели на функции, с помощью которых и происходит взаимодействие с объектом.
На заметку:
DirectX ни первая попытка MS сделать Windows игровой платформой! Первой попыткой исправить положение с созданием игр под новоявленную линейку операционных систем Windows был WinG API. Занимался он исключительно растровой графикой и особого распространения не получил, хотя под него было написано некоторое количество игр (например ремейк под Windows первой Цивилизации). Попробуем выстроить общую хронологию... Приблизительно в 1995 году после выхода ОС Windows 95 Microsoft выпускает Game SDK - первая версия DirectX. Основной упор - растровая двумерная графика. Кроме этого работа со звуком, сетью и устройствами ввода. 1996 год вместе с выходом Microsoft Developers Kit ознаменовывается появлением уже DirectX 2. Первые шаги в составе DirectX делает Direct3D. Всё тот же 96 - DirectX 3 можно назвать самым универсальным из всех имеющихся DirectX'ов на планете :) Его функциональность доступна даже на NT 4.0. Пятая версия (ну не любят они цифру 4 :) выходит в 98 году и радует обновленной DirectInput компонентой которая по сути стала самостоятельной, а не враппером над Win32 функциями. Всё тот же 98 - шестая версия Direct3D (DirectX 6) уже поддерживает мультитекстурирование,stencil и w-buffer'ы. Конец 1999 года - по-своему революционная версия DirectX 7. Ура - золотая эра в компьютерной графике, о которой так долго говорили Кармаки, началась. T&L (аппаратные трансформации и освещение) и видео карты. Поддержка T&L в DirectX 7. Размышления над фиксированным конвейером. Конец 2000 года - на сцену победно выступает DirectX 8 - программируемый конвейер, шейдеры, как средство программирования (заветам Pixar мы верны!) очередной шаг от компьютерной графики к реальности. DirectDraw умер... Да здравствует DirectX Graphics!
Почему именно DirectX?
Собственно, в своем старом обзоре на примере DirectX 7 я привел доводы в пользу использования DirectX или хотя бы части его компонент. Стремление разработчиков абстрагироваться от конечного конкретного оборудования понятно - никто сейчас не хотел бы изучать спецификации работы с каждой конкретной видео или звуковой картой. Чёткое разделение области системного и прикладного программирования (в первом случае я говорю о разработчиках драйверов и соответствующих DDK (Driver Development Kit) с которым мы прикладные программисты не сталкиваемся вообще, во втором это наш DirectX SDK), жестко определенный для каждой новой версии стандарт, гарантированность работы с предыдущими версиями (по стандарту, будучи однажды определенным, COM интерфейс не может меняться - оно и понятно почему) это и есть сущность DirectX. Альтернатив DirectX не существует - существуют отдельные компоненты, но лишь OpenGL можно назвать полностью самостоятельно заменой Direct3D. Я не буду сравнивать и спорить что лучше - у меня иная цель... Кто-то может сказать - "А вот если взять стремительно развивающийся OpenAL? Чем не альтернатива DirectSound?" Проблема в том, что OpenAL под Windows не что иное, как надстройка над тем же DirectSound - просто более универсальная и удобная в использовании, а отнюдь не полноценный собственный API. Здесь решать только вам - использовать библиотеки врапперы или использовать напрямую DirectX. Прежде чем использовать тот или иной API внимательно изучите его спецификации, посмотрите импорты в DLL-ках, а самое главное прикиньте производительность - возможно, это совсем не то, что вам действительно нужно.
«Вот, наконец, настал тот час...»
Процесс распаковки закончен, и я имею удовольствие лицезреть новую версию DirectX (далее просто DX) SDK. Отмечу - DirectX рантайм не существует для Windows 95 и NT. Для NT DirectX "умер" ещё на цифре три, последней официально поддерживаемой версии для этой операционной системы (необходимо установить как минимум третий сервис пак). Отказ от поддержки '95 назревал достаточно давно и вот, наконец-то, это свершилось. Достаточно типичная структура каталогов. Слегка пополневший набор Мастеров-Визардов (App Wizard) и утилит в /bin/Util- ничего примечательного. Главный мастер для создания DX приложения претерпел минимальные изменения - в нём добавили возможность работы с меню и реестром. Первое что бросается в глаза - наличие примеров под C#. Теперь каждый, при желании конечно, без особых проблем с реализацией и потери времени для написания вспомогательных библиотек врапперов или же создания своего собственного скриптового языка может повторить опыт разработчиков Ил-2 или Blade of Darkness (первые использовали Sun Java Runtime, вторые - Python) и реализовать всю логику игры на основе более высокоуровневого языка.
Что день грядущий нам готовит
Прежде всего, как утверждает документация, основная причина выхода DX 9 на свет это именно DirectX Graphics. Впрочем, то же самое было сказано и в DX 8.1 SDK. Для тех, кто умудрился пропустить несколько версий DX'а с прискорбием сообщаю, что DirectDraw почил нас своим присутствием и отошел в мир иной. Будучи поглощенным Direct3D, DirectDraw с версии DX 8.0 образовал DirectX Graphics. В DX 9 он вернулся, но скорее в виде истлевшей тушки, о чём немного позже.
Попробуем рассмотреть все компоненты DX начиная с наименее «пострадавших» от изменений, при этом кратко для новичков обсудим для чего каждая из компонент предназначена:
· DirectInput основными изменения стала работа над улучшением совместимости, изменений в самом API нет.
· DirectMusic увеличение производительности; несколько новых Визардов (App Wizards) для Developer Studio.
· DirectSound частота звуковых буферов поднята до 200 КГц, проведена работа над увеличением производительности, некоторое количество незначительных изменений.
· DirectPlay парочка новых провайдеров; а также поддержка Windows Powered Pocket PC 2002, куча мелких изменений и усовершенствований в API.
· DirectShow новые примеры; новые фильтры; расширенная поддержка фильтров для различных версий ОС Windows.
· DirectXGraphics поддержка пиксельных и вершинных шейдеров реализована теперь через COM интерфейсы; изменения при работе с вершинными шейдерами; поддержка карт смещения (displacement maps); антиалиазинг линий; версия 2.0 и 3.0 пиксельных и вершинных шейдеров; 2D возможности; HLSL (High-Level Shader Language); двусторонние операции со стенсил буфером (Two-Sided Stencil Ops - полезно при рендеринге теней с использованием теневых объёмов); адаптивная тесселяция.
На заметку:
Возвращаясь к акценту Microsoft на DX Graphics, начинаешь склоняться к мысли, что это действительно так. Если проанализировать в данный момент положение вещей на игровых фронтах, то можно отметить следующую тенденцию - для работы с графикой и устройствами ввода разработчики обычно используют DX интерфейсы или OpenGL напрямую, без использования дополнительных библиотек (или при их минимальном вмешательстве в критические по производительности части кода), в то время как при работе с сетью, звуком и видео, в первом случае большинство использует функциональность самой ОС, а во втором и третьем библиотеки третьих фирм. Почему так? DirectPlay по сути представляет собой универсальную обёртку (пусть и достаточно тонкую) над сервисами операционной системы. Основное его достижение, это наверное стандартизация работы. Кроме того - архитектурно вам эта обёртка может просто не подойти или быть избыточной. Во втором случае - развитые вспомогательные библиотеки, по сути, сами используют DX для своих нужд, однако, кроме того, сочетают в себе дополнительные вспомогательные функции будь то аудио компрессия, 3D эффекты, или же, к примеру, расширенная функциональность - не поддерживается эта версия DirectSound на данном компьютере, попробую другую; не сработает она - воспользуюсь вызовами ядра... С видео приблизительно та же ситуация. В результате чего в сфере звука и видео уже начинают определяться свои лидеры - работа с аудио это конечно Miles Sound System и бесплатные FMOD (для некоммерческого использования), OGG или OpenAL. Вспоминая о видео нельзя не упомянуть SMK/BNK форматы и библиотеки для работы с ними.
Как видите, основное число изменений действительно коснулось именно работы с графикой. Кратко рассмотрим наиболее интересные аспекты. С этой версии разработчикам доступен HLSL (High-Level Shader Language) - высокоуровневый язык работы с шейдерами. В качестве его альтернативы можно вспомнить соответствующее предложение от NVidia, а именно Cg. Сложно предсказать дальнейшее развитие обоих языковых платформ. Скорее всего, оба языка будут существовать и продолжать развиваться, как и в случае D3D vs OpenGL. Хотя в данном случае за спиной Cg стоит только NVidia. Программно реализована поддержка второй и третьей версии (!) пиксельных и вершинных шейдеров. Со второй версии вершинных шейдеров, поддержка которых представлена в DX 9, появился контроль над исполнением хода шейдера - условия if/else/endif, циклы loop/endloop и подпрограммы. Взаимодействие с контекстом GDI, а также IDirect3DDevice9::StretchRect() на пару с IDirect3DDevice9::ColorFill(), смахивает на попытку поднятия из могилы недавно положенного туда DirectDraw. Воистину неисповедимы пути Майкрософта :) Впрочем, заверения о полной интеграции этих возможностей в 3D конвейер и освобождение программиста от написания небольшой обёртки для взаимодействия с 2D через 3D несомненно похвально. Формат пикселя с 10 битным каналом на каждую цветовую компоненту и 2 битами на альфа канал может показаться временным выходом из ситуации для жаждущих 64-битного представления цвета, тем не менее, аппаратная поддержка, а также в некоторых случаях совместимость оставляют желать лучшего. Карты смещения (Displacement Maps) - модификация базовой геометрии полигона вдоль нормали к нему. Карта смещения, по сути, представляет собой определенного вида текстуру. (Кто сталкивался с картами высот при рендеринге ландшафтов - это почти оно :)) В данном случае это та же текстура, с которой работает вершинный пайплайн. На данный момент небольшое количество видеокарт могут похвастаться аппаратной поддержкой этой фишки, так что в ближайшее время польза от неё сомнительна, однако как и водится достаточно соблазнительна. «Многоголовость» (MultiHead ;)) последней версии позволяет работать с адаптерами обладающими несколькими DAC'ами и позволяющими подключать несколько мониторов. Не будем обсуждать ценовой барьер конечного пользователя ;). Сам по себе панорамный обзор на несколько мониторов может быть ещё одним робким шажком в сторону глубокого погружения пользователя в игру. D3DX, если сравнивать его с тем же GLU в OpenGL, однозначно выигрывает по возможностям и функциональности. Я предпочитаю OpenGL и очень завидую этому :) Наверняка в интернете найдётся подобная библиотека для OpenGL, однако факт остаётся фактом - всегда приятно осознавать, что столько возможностей находятся в стандартной поставке и полностью совместимы с самим DirectX. Остаётся желать только одного - чтобы при всей своей функциональности она не превратилась в монстроидальную поделку, половина функций которой останется не востребованными.
В целом охарактеризовать выход DX 9 можно одним простым и ёмким словом — успех :) Акцент на графику как наиболее стремительно развивающуюся область и оптимизация в других компонентах как мне кажется, является правильным направлением на данный момент. Ждём DirectX 10 :)
Смотрите также статью:
Direct3D: Первая программа под DirectX9.
31 мая 2002 (Обновление: 11 июня 2009)