Direct3D

Direct3D es parte de DirectX (conjunto de bibliotecas para multimedia), propiedad de Microsoft. Consiste en una API para la programación de gráficos 3D. Está disponible tanto en los sistemas Windows de 32 y 64 bits, como para sus consolas Xbox Xbox 360 Y Xbox One.

El objetivo de esta API es facilitar el manejo y trazado de entidades gráficas elementales, como líneas, polígonos y texturas, en cualquier aplicación que despliegue gráficos en 3D, así como efectuar de forma transparente transformaciones geométricas sobre dichas entidades. Direct3D provee también una interfaz transparente con el hardware de aceleración gráfica.

Se usa principalmente en aplicaciones donde el rendimiento es fundamental, como los videojuegos, aprovechando el hardware de aceleración gráfica disponible en la tarjeta gráfica.

El principal competidor de Direct3D es OpenGL, desarrollado por Silicon Graphics Inc.

Arquitectura

 

Capa de Abstracción.

Direct3D es uno de los múltiples componentes que contiene la API DirectX de Windows. Se le podría situar al nivel del GDI de Windows, presentando un nivel de abstracción entre una aplicación de gráficos 3D y los drivers de la tarjeta gráfica (véase gráfico adjunto). Con arquitectura basada en el COM de Microsoft, la mayor ventaja que presenta Direct3D frente al GDI es que Direct3D se comunica directamente con los drivers de pantalla, consiguiendo mejores resultados en la representación de los gráficos por pantalla que aquel.

Direct3D está compuesto por dos grandes API. El modo retenido y el modo inmediato. El modo inmediato da soporte a todas las primitivas de procesamiento 3D que permiten las tarjetas gráficas (luces, materiales, transformaciones, control de profundidad, etc). El modo retenido, construido sobre el anterior, presenta una abstracción de nivel superior ofreciendo funcionalidades preconstruidas de gráficos como jerarquías o animaciones. El modo retenido ofrece muy poca libertad a los desarrolladores, siendo el modo inmediato el que más se usa.

El modo inmediato de Direct3D trabaja fundamentalmente con los llamados dispositivos (devices). Son los encargados de realizar la renderización de la escena. El dispositivo ofrece una interfaz que permite diferentes opciones de renderización. Por ejemplo un dispositivo mono permite la renderización en blanco y negro mientras que un dispositivo RGB permite el uso de colores. Podemos clasificar los dispositivos en tres clases principales:

• Dispositivo HAL (hardware abstract layer): permite aceleración hardware. Se trata del dispositivo más rápido.

 

Dispositivo.

• Dispositivo de referencia: es necesaria la instalación previa del SDK de Direct3D para poder usar este tipo de dispositivo. Permite la simulación software de un tipo de renderización y resulta muy útil cuando el hardware todavía no tiene incorporadas nuevas características de renderización. Un caso muy concreto del dispositivo de referencia es el Null reference device cuya función es presentar la pantalla en negro. Se usa por defecto cuando se intenta usar un dispositivo de referencia y no se encuentra el SDK.
• Dispositivos de conexión software (pluggable software device): permite opciones de rasterización software. Previamente se ha tenido que obtener el dispositivo mediante el método RegisterSoftwareDevice. Este tipo de dispositivos no fueron usados hasta DirectX 9.0.^[1]​

Cada dispositivo tiene asociada una o más cadenas de intercambio (swap chains). Dichas cadenas están compuestas por varios buffers de superficies, considerando a una superficie como un conjunto de píxeles más todos los atributos asociados a cada uno de ellos como la profundidad, el color, la transparencia (canal alfa), etc.

Además, los dispositivos tienen asociados también una colección de recursos (resources) o datos concretos necesarios para realizar la renderización. Cada uno de estos recursos tiene los siguientes atributos:

• Tipo (type): define el tipo de recurso del que se trata: superficie, volumen, textura, textura de cubo, textura de volumen, textura de superficie, buffer de vértices o buffer de índices.
• Almacén (pool):^[2]​ describe dónde se almacena el recurso durante la ejecución. Default indica que se almacena junto con el dispositivo; managed que se guarda en la memoria del sistema y se copia en el dispositivo cuando éste lo necesita; system memory que se encuentra exclusivamente en la memoria del sistema, al igual que scratch, ignorando este último las restricciones de la tarjeta gráfica.
• Formato (format): describe el formato en que se almacena el recurso en memoria. La información más importante es respecto al almacenamiento de los píxeles en memoria. Un ejemplo de valor de format es D3DFMT_R8G8B8 que indica que una profundidad de color de 24 bits (los 8 de más peso para el rojo, los 8 de en medio para el verde y los 8 de menos peso para el azul).
• Uso (usage): mediante una lista de flags, indica cómo se va a usar el recurso. También permite distinguir los recursos estáticos, aquellos que una vez cargados solo interesa su valor, de los recursos dinámicos, cuyo valor se modifica repetidamente.

Pipeline

 

Proceso en la pipeline de gráficos.

En la figura adjunta se presenta una versión simplificada^[3]​ de la pipeline de Direct3D.

Las diferentes etapas del proceso de renderización son:^[4]​

1. Input Assembler: aporta los datos de entrada (líneas, puntos y triángulos).
2. Vertex Shader: se encarga de las operaciones de vértices (iluminación, texturas, transformaciones). Trata los vértices individualmente.
3. Geometry Shader: realiza operaciones con entidades primitivas (líneas, triángulos o vértices). A partir de una primitiva, el geometry shader puede descartarla, o devolver una o más primitivas nuevas.
4. Stream Output: almacena la salida de la etapa anterior en memoria. Resulta útil para realimentar la pipeline con datos ya calculados.
5. Rasterizer: convierte la imagen 3D en píxeles.
6. Pixel Shader: operaciones con los píxeles.
7. Output Merger: se encarga de combinar la salida del pixel shader con otros tipos de datos, como los patrones de profundidad, para construir el resultado final.

Direct3D permite la reconfiguración de todas las etapas, aumentando considerablemente la flexibilidad de esta pipeline.

Ejemplo

Ejemplo de cómo dibujar un triángulo en Direct3D:

/* Definición de un polígono de 3 vértices */ D3DLVERTEX v[3]; /* Establecer un vértice */ v[0]=D3DLVERTEX( D3DVECTOR(0.f, 5.f, 10.f), 0x00FF0000, 0, 0, 0 ); /* Establecer un vértice */ v[1]=D3DLVERTEX( D3DVECTOR(0.f, 5.f, 10.f), 0x0000FF00, 0, 0, 0 ); /* Establecer un vértice */ v[2]=D3DLVERTEX( D3DVECTOR(0.f, 5.f, 10.f), 0x000000FF, 0, 0, 0 ); /* Llamada a función para dibujar el triángulo */ pDevice->DrawPrimitive( D3DPT_TRIANGLELIST, D3DFVF_LVERTEX, v, 3, 0 ); 

Modos de presentación

Direct3D permite dos modos de presentación en pantalla:

• Pantalla completa o exclusive mode: gracias a que Direct3D tiene conexión directa con el driver de la pantalla, el dispositivo Direct3D hace uso exclusivo de la pantalla. Ninguna otra aplicación podrá hacer uso de la pantalla mientras se encuentre en este modo.
• En ventana o windowed mode: el resultado se muestra dentro de una ventana de Windows. Direct3D tiene que colaborar con el GDI para finalizar dicha representación. Aunque este modo resulta más lento que el anterior, al no bloquear la pantalla y permitir el uso de otras aplicaciones, resulta muy cómodo en la depuración de errores.

Historia

En 1992, Servan Keondjian fundó RenderMorphics, una compañía que desarrollaba una API de gráficos 3D llamada Reality Lab. Esta API se usaba en programas de CAD y representación de imágenes médicas. En febrero de 1995, Microsoft compró RenderMorphics, incorporando a Keondjian a la compañía para implementar un motor gráfico para Windows 95. El resultado fue la primera versión de Direct3D, incluida en DirectX 2.0 y DirectX 3.0.

Inicialmente, Direct3D se implementó sobre dos API: la API retained mode y la API inmediate mode. El modo retenido era una API de escenarios gráficos basada en el COM (Computer Object Model) de Microsoft, que tuvo escasa acogida. Los desarrolladores de juegos solicitaron un control más directo sobre las actividades del hardware del permitido en el Retained Mode. Solamente el juego Lego Island se basó en dicha API, por lo que Microsoft abandonó la evolución de dicho modo después de DirectX 3.0, quedando intacto desde entonces.

La primera versión del modo inmediato de Direct3D consistía en un modelo de programación basado en un buffer de ejecución. Microsoft confiaba en que dicho buffer fuera soportado directamente por los vendedores de hardware pretendiendo que se almacenaran en memoria y fueran parseados por hardware, con el objetivo de realizar renderización 3D. Dichos buffers resultaron ser muy difíciles de programar, frenando la adopción de la nueva API y generando una corriente de opinión que solicitaba la adopción de OpenGL como la oficial para renderización 3D en Microsoft. Microsoft decidió seguir mejorando Direct3D, no solo para ser competitivos con OpenGL, sino también para competir de forma más efectiva contra otras API privativas como Glide de 3dfx. Se encargó a un equipo de Redmond hacerse cargo del desarrollo del modo inmediato de Direct3D, mientras el equipo de RenderMorphics continuaba el trabajo sobre el modo retenido, abandonado no mucho después como ya se ha dicho.

A continuación se muestra una relación de las diferentes versiones de Direct3D con las mejoras más importantes que aportaron:

• Direct3D 5.0 introdujo el conjunto de primitivas DrawPrimitive que eliminaba la necesidad de construir buffers de ejecución por parte de las aplicaciones.
• Direct3D 6.0 introdujo numerosas características para la abstracción del hardware (como multitexturas^[5]​ y buffers de patrones), optimizó el uso de las pipelines de geometría para x87, SSE y 3DNow!, y la gestión opcional de texturas para simplificar la programación.
• Direct3D 7.0 introdujo el formato de texturas .dds^[6]​ y soporte para la aceleración hardware de transformaciones y luces. También añadió la posibilidad de almacenar buffers de vértices en memoria hardware. Los buffers hardware de vértices supusieron la primera mejora sustancial con respecto a OpenGL en la historia de DirectX. También se aumentó el soporte para multitexturas. Aunque Direct3D 7.0 era muy potente, era tan complicado de programar que necesitaba un nuevo modelo de programación para mostrar las capacidades de shading que proporcionaba el hardware.
• Direct3D 8.0 introdujo programabilidad en forma de vertex y pixel shaders, permitiendo a los desarrolladores escribir código sin preocuparse del hardware. Programar shaders sencillos equivalían a tareas sencillas, y shaders más complejos se usaban para tareas más complejas. El driver de pantalla compilaba estos shaders en instrucciones comprensibles por el hardware. Direct3D 8.0 también eliminó la API DirectDraw,^[7]​ absorbiéndola. Se resolvieron muchos problemas de usabilidad. Además, se incluyeron características muy potentes como niebla (fog), bump mapping y texture mapping.
• Direct3D 9.0 añadió una nueva versión del High Level Shader Language (HLSL, lenguaje de programación de shaders),^[8]​ soporte para HDR, renderización de múltiples objetos e indexación del buffer de vértices.
• Direct3D 10 consigue un aumento considerable en el rendimiento eliminando el llamado object overhead, que consiste en realizar llamadas entre la API y el driver usando la CPU. Dichas llamadas empezaban a producir un cuello de botella debido al incremento en la complejidad de las escenas y se han incluido medidas como los stateblocks de los shaders para poder referenciar grupos de variables del shader a través de un único ID en vez de enviar una a una entre otras cosas. Direct3D 10 incorpora además soporte del shader model 4, lo que significa que se puede hacer uso de los shaders de geometría (geometry shaders). Asimismo incorpora una nueva función de Stream Out; esta nueva función permite guardar en un buffer información de salida de los geometry shaders permitiendo operaciones de varias pasadas en el shader de geometría, lo que podría traducirse de cara al usuario en simulaciones física completas en la GPU ya es posible realimentar el shader pipeline desde el vertex shader. Se ha incluido virtualización de la memoria gráfica y el programador tiene un mayor control sobre en que clase de memoria quiere alojar sus recursos. A través de los geometry shaders es posible generar geometría en la propia GPU por ejemplo para convertir una sucesión de puntos en polígonos orientados a cámara para un efecto de partículas, anteriormente se realizaba en el procesador y ahora también calcula la GPU. Otro punto importante es la supresión del fixed pipeline de DirectX 10, lo cual supone un serio problema para los programadores novatos, y un aumento considerable de la complejidad de la API, poniendo como ejemplo la necesidad de crear un objeto especializado llamado input layout por cada combinación de vertex format y vertex shader que vayamos a usar (cosa que en Direct3D 9.0 era automática), lo cual supone un pequeño aumento de rendimiento a costa de requerirse un uso más dificultoso de la API. El principal problema de DirectX 10 es que sólo funciona con el sistema operativo Windows Vista, mientras que DirectX 9.0 trabaja con toda la familia de Windows a partir de Windows 98, debido a esto se rumorea que microsoft planea o bien soportarlo en XP o bien sacar una versión especial de DirectX 9 que implemente algunas características. El SDK de DirectX 10 está disponible desde febrero de 2007.^[9]​

Véase también

• HLSL - Lenguaje de programación de shaders
• DirectX - Colección de API donde se integra Direct3D
• OpenGL - Principal competidor de Direct3D
• Gráficos 3D por computadora
• Shader
• Comparación entre Direct3D y OpenGL

Referencias

1. . Archivado desde el original el 18 de abril de 2008. 
2. . Archivado desde el original el 9 de mayo de 2008. 
3. «Pipeline gráfica de Direct3D 9.0». 
4. «Etapas de la pipeline de Direct3D 10». 
5. «Direct3D 6.0 introduce las multitexturas». 
6. «Direct3D 7.0 crea el formato Microsoft DirectDraw Surface (.dds)». 
7. . Archivado desde el original el 4 de junio de 2007. 
8. . Archivado desde el original el 27 de agosto de 2010. 
9. «SDK de DirectX 10 disponible desde febrero de 2007». 

Enlaces externos

•   Datos: Q939208