[Direct3D] 實現(xiàn)批次渲染、硬件 T&L 的渲染器和 D3DPipeline
在是否從 D3DRender 提供頂點緩存區(qū)操作給流水線時做了一些權(quán)衡，最后決定暫時使用 IDirect3DDevice9::DrawPrimitiveUP 來渲染，因為它更容易書寫，而且開銷是一次頂點拷貝，流水線也不用操心對緩存的使用。
D3DPipeline 并不是完整的，其涉及到從場景管理器中傳遞的靜態(tài)場景元素列表，這些元素需要事先被整理到各個子容器以便盡可能少地調(diào)整渲染狀態(tài)和寫頂點緩存。這些子容器由場景管理器維護，并在適當(dāng)?shù)臅r候調(diào)用 Render::DrawPrimitive 進行渲染。
大多數(shù)的 los-lib 結(jié)構(gòu)與 D3DX 在內(nèi)存上兼容的，在保持界面獨立的同時不影響性能。例如 los::blaze::Material 與 D3DMATERIAL 即是兼容的。燈光定義則存在差異，主要原因在于 los-lib 使用了各個獨立的燈光類型，而 D3DLIGHT9 則放置在統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)然，燈光對象通常并不在多個渲染狀態(tài)間改變，所以執(zhí)行兩種燈光類型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并不影響效率。一楨通常僅進行一次這樣的轉(zhuǎn)換。
另一個容易犯的錯誤在于幾何體法線列表的索引，法線為每個頂點索引設(shè)置獨立的值，而不再通過頂點列表的索引形式，嘗試使用頂點索引來查找法線將得到非預(yù)期的結(jié)果。
D3DRender:
virtual int DrawPrimitive(const std::vector<VertexXYZ_N>& listVertex
, const Matrix& matWorld, const Matrix& matView, const Matrix& matProj
, const Material& material)
{
ptrDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD, (CONST D3DMATRIX*)&matWorld);
ptrDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW, (CONST D3DMATRIX*)&matView);
ptrDevice->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, (CONST D3DMATRIX*)&matProj);
ptrDevice->SetFVF(D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL);
ptrDevice->SetRenderState(D3DRS_FILLMODE, D3DFILL_SOLID);
ptrDevice->SetMaterial((CONST D3DMATERIAL9*)&material);
uint nPrim = (uint)listVertex.size() / 3;
uint nBatch = nPrim / _D3DCaps.MaxPrimitiveCount;
uint nByteBatch =_D3DCaps.MaxPrimitiveCount * (uint)sizeof(VertexXYZ_N) * 3;
for (uint idx = 0; idx < nBatch ; ++idx)
ptrDevice->DrawPrimitiveUP(D3DPT_TRIANGLELIST
, _D3DCaps.MaxPrimitiveCount
, &listVertex.front()
+ idx * nByteBatch
, (uint)sizeof(VertexXYZ_N));
ptrDevice->DrawPrimitiveUP(D3DPT_TRIANGLELIST, nPrim % _D3DCaps.MaxPrimitiveCount
, &listVertex.front()
+ nBatch * nByteBatch
, (uint)sizeof(VertexXYZ_N));
return 0;
}
virtual int SetLights(const Lights& lights)
{
ptrDevice->SetRenderState(D3DRS_AMBIENT
, (lights.globalLight.GetColor()
* lights.globalLight.GetIntensity()).ToColor());
uint idxLight = 0;
for (size_t idx = 0; idx < lights.listPointLight.size(); ++idx)
{
const PointLight& refLight = lights.listPointLight[idx];
D3DLIGHT9 lght;
::memset(&lght, 0, sizeof(D3DLIGHT9));
lght.Type = D3DLIGHT_POINT;
lght.Range = refLight.GetDistance();
lght.Attenuation1 = 1.0f;
Vector3 vPos = refLight.GetPosition();
lght.Position.x = vPos.x;
lght.Position.y = vPos.y;
lght.Position.z = vPos.z;
lght.Diffuse = lght.Specular
= *(D3DCOLORVALUE*)&(refLight.GetColor() * refLight.GetIntensity());
ptrDevice->SetLight(idxLight, &lght);
ptrDevice->LightEnable(idxLight++, true);
}
for (size_t idx = 0; idx < lights.listParallelLight.size(); ++idx)
{
const ParallelLight& refLight = lights.listParallelLight[idx];
D3DLIGHT9 lght;
::memset(&lght, 0, sizeof(D3DLIGHT9));
lght.Type = D3DLIGHT_DIRECTIONAL;
Vector3 vDir = refLight.GetDirection();
lght.Direction.x = vDir.x;
lght.Direction.y = vDir.y;
lght.Direction.z = vDir.z;
lght.Diffuse = lght.Specular
= *(D3DCOLORVALUE*)&(refLight.GetColor() * refLight.GetIntensity());
ptrDevice->SetLight(idxLight, &lght);
ptrDevice->LightEnable(idxLight++, true);
}
for (size_t idx = 0; idx < lights.listSpotLight.size(); ++idx)
{
const SpotLight& refLight = lights.listSpotLight[idx];
D3DLIGHT9 lght;
::memset(&lght, 0, sizeof(D3DLIGHT9));
lght.Type = D3DLIGHT_SPOT;
lght.Range = refLight.GetDistance();
lght.Attenuation1 = 1.0f;
lght.Falloff = 1.0f;
lght.Theta = refLight.GetHotspot().ToRadian();
lght.Phi = refLight.GetFalloff().ToRadian();
Vector3 vDir = refLight.GetDirection();
lght.Direction.x = vDir.x;
lght.Direction.y = vDir.y;
lght.Direction.z = vDir.z;
Vector3 vPos = refLight.GetPosition();
lght.Position.x = vPos.x;
lght.Position.y = vPos.y;
lght.Position.z = vPos.z;
lght.Diffuse = lght.Specular
= *(D3DCOLORVALUE*)&(refLight.GetColor() * refLight.GetIntensity());
ptrDevice->SetLight(idxLight, &lght);
ptrDevice->LightEnable(idxLight++, true);
}
return 0;
}
D3DPipeline:
virtual int ProcessingObject(const Object3D& object)
{
++_DebugInfo.dynamic_object_counter;
const Model& refModel = object.GetModel();
const Vector3& pos = object.GetPosition();
Matrix mat = object.GetTransform()
* object.GetOrientation().ObjectToInertial() * object.GetAxis()
* Matrix().BuildTranslation(pos.x, pos.y, pos.z);
for (size_t gidx = 0; gidx < refModel.listGeometry.size(); ++gidx)
{
const Geometry& refGeom = refModel.listGeometry[gidx];
const Material& refMat = refModel.listMaterial[refGeom.indexMaterial];
//Triangle triangle;
//triangle.bitmap = (DeviceBitmap*)&refModel.listDeviceBitmap[refGeom.indexDeviceBitmap];
std::vector<VertexXYZ_N> listVertex;
listVertex.reserve(refGeom.listIndex.size());
for (size_t iidx = 0; iidx < refGeom.listIndex.size(); iidx += 3)
{
const Vector3& vertex0 = refGeom.listVertex[refGeom.listIndex[iidx]];
const Vector3& vertex1 = refGeom.listVertex[refGeom.listIndex[iidx + 1]];
const Vector3& vertex2 = refGeom.listVertex[refGeom.listIndex[iidx + 2]];
Vector3 normal0 = refGeom.listNormal[iidx];
Vector3 normal1 = refGeom.listNormal[iidx + 1];
Vector3 normal2 = refGeom.listNormal[iidx + 2];
listVertex.push_back(VertexXYZ_N());
VertexXYZ_N& refV0 = listVertex.back();
refV0.x = vertex0.x;
refV0.y = vertex0.y;
refV0.z = vertex0.z;
refV0.normal_x = normal0.x;
refV0.normal_y = normal0.y;
refV0.normal_z = normal0.z;
listVertex.push_back(VertexXYZ_N());
VertexXYZ_N& refV1 = listVertex.back();
refV1.x = vertex1.x;
refV1.y = vertex1.y;
refV1.z = vertex1.z;
refV1.normal_x = normal1.x;
refV1.normal_y = normal1.y;
refV1.normal_z = normal1.z;
listVertex.push_back(VertexXYZ_N());
VertexXYZ_N& refV2 = listVertex.back();
refV2.x = vertex2.x;
refV2.y = vertex2.y;
refV2.z = vertex2.z;
refV2.normal_x = normal2.x;
refV2.normal_y = normal2.y;
refV2.normal_z = normal2.z;
++_DebugInfo.polygon_counter;
}
_PtrRender->DrawPrimitive(listVertex, mat, _ViewMatrix, _PerspectiveMatrix, refMat);
}
return 0;
}
};
這篇看batching段。
GPU性能調(diào)試：
通常來說，使用CPU時間事件來調(diào)試GPU是低效并且是不準(zhǔn)確的。D3D API在多數(shù)命令下會阻塞，甚至是Draw函數(shù)。它會在一些時間片上做一些真正的工作，而這往往是不可預(yù)知的。因此，GPU的性能調(diào)試只能用PIX或者是其他專用產(chǎn)品，例如NVIDIA’s NVPerfHUD來進行。
顯卡所用的內(nèi)存：
顯卡所用的內(nèi)存可以分為兩大類：本地的和非本地的（相對于顯卡來說）。在顯卡處理的某些數(shù)據(jù)類型的時候，需要本地內(nèi)存，例如 幀緩沖。 非本地內(nèi)存，有時也成為AGP卡槽內(nèi)存(AGP aperture)，可以被顯卡訪問的某些數(shù)據(jù)類型所在的系統(tǒng)內(nèi)存，例如頂點緩沖。本地內(nèi)存要比非本地內(nèi)存快。
本地內(nèi)存通常是在顯卡內(nèi)的，但是有些顯卡可以共享系統(tǒng)內(nèi)存，這通常是平衡速度和價格之間的選擇。在這種情況下，幀緩存可以存在于系統(tǒng)內(nèi)存中，而不是在本地內(nèi)存中。這種技術(shù)下，顯卡處理某些數(shù)據(jù)的速度比不使用共享內(nèi)存的要慢，因為數(shù)據(jù)必須從I/O Bus（例如PCI-Express）上傳輸過來。但是這可以使顯卡成本大大降低。在NVIDIA，這種技術(shù)被稱為TurboCache，而ATI稱之為HyperMemory。
著色器和著色模型：
Shader是運行在GPU上的，處理一些D3D流水管線上一些任務(wù)的程序。有三種類型的shader，他們分別對應(yīng)三種可編程的stage：
Vertex shader (頂點著色器VS) stage, geometry shader (幾何著色器GS) stage, 還有pixel shader(像素著色器PS) stage。其中幾何著色器只能在DX10平臺上使用。
著色模型（shader model）是在GPU上運行的虛擬機。每個虛擬機定義被稱為一種shader profile。并且包含了特定的匯編語言。
著色器的職責(zé)：
著色器通常是流水管線中描述物體表面的部分。例如，一種看起來像木頭的材質(zhì)被稱為木頭著色器（wood shader）。而在D3D中，這些著色語言指令集可以做的事情遠不止描述物體表面。他們可以用來計算光照，矩陣轉(zhuǎn)換，頂點動畫，進行裁切，動態(tài)生成新的幾何物體，等等。在Mental ray中，shader按照職責(zé)可以劃分為surface shader, light shader, shader shader, output shader等等。
在D3D中，這三種著色器的職責(zé)劃分并不是很明確。例如，光照計算過可以在頂點著色器，或者是像素著色器中完成，這取決于應(yīng)用程序的需求。因此，包含各種著色器的著色器集合應(yīng)運而生。他們鏈接起來定義了一個工作流水線。
關(guān)于Direct3D 9 資源和內(nèi)存類型：
D3D支持下列類型的資源：紋理（包括常規(guī)的和渲染目標(biāo)render target），頂點緩沖，索引緩沖，字體，交換鏈（swap chain），狀態(tài)組，深度模板緩沖，特效等等。
有四種內(nèi)存類型（池），資源可以在這里分配：
· 默認(rèn)Default：在顯卡內(nèi)存中，包括AGP卡槽內(nèi)存和本地顯存。在設(shè)備丟失之后，必須被釋放，重構(gòu)。
· 托管Managed：存在于系統(tǒng)內(nèi)存中，按需拷貝到顯存。
· 系統(tǒng)SystemMem：永遠存在于系統(tǒng)內(nèi)存中，并且不能直接用于渲染。可以當(dāng)作源或者目標(biāo)拷貝。例如UpdateSurface和UpdateTexture。
· Scrach: 永遠存在于系統(tǒng)內(nèi)存中，并且不會被設(shè)備大小或格式限制，例如紋理的2的冪限制。不能把它放到顯存中。
查找資源泄露：
在關(guān)閉一個基于D3D的應(yīng)用程序時，D3D調(diào)試運行庫會報告內(nèi)存泄露。按照以下步驟定位泄漏點。
1. 在DirectX Control Panel中（通常在DXSDK安裝目錄中可以找到），啟用“Use Debug Version of Direct3D 9”并且將Debug Output Level設(shè)置為”More”。確保Break on Memory Leaks被禁用。點擊Apply。
2. 在VS中調(diào)試運行應(yīng)用程序。在關(guān)閉應(yīng)用程序之后，查看VS的輸出窗口Direct 3D9: (WARN) : Memory Address: 00xxxxxx, IAllocID= xx dwSize = xxxxxxxx;(pid = xxxxx)
3. 每條記錄對應(yīng)了一個資源泄漏，查看并記住ID，然后在DirectX Control Panel中輸入ID并且點擊Apply。
4. 再次運行程序，重復(fù)以上步驟。程序會在分配點中斷，你可以檢查哪里遺忘釋放。
5. 當(dāng)你調(diào)試完成之后，別忘了將Break On AllocID設(shè)置為0。
處理設(shè)備丟失（Device Lost）
一個D3D設(shè)備可以在很多情況下丟失，例如從全屏向窗口轉(zhuǎn)換，一個電源管理事件，按CTRL+DEL+ALT返回Windows Security Dialog。
必須采取措施去檢查一個設(shè)備是否丟失，丟失了之后如何恢復(fù)。
方法：在某些地方調(diào)用IDirect3DDevice9::TestCooperativeLevel，例如在每幀開始渲染之前調(diào)用。當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備丟失之后，采取下列措施：
1. 釋放所有在Default內(nèi)存中的資源
2. 釋放其他沒有和Default, Managed, SystemMem綁定的資源
3. 調(diào)用IDirect3DDevice9::TestCooperativeLevel去確認(rèn)設(shè)備是否可以被重置如果能，那么調(diào)用IDirect3DDevice9::Reset 如果不能，繼續(xù)等待，然后再嘗試
4. 重新創(chuàng)建需要的資源
渲染目標(biāo)和交換鏈（Render Targets and Swap Chains）
一個渲染目標(biāo)是一個用于保存在圖形流水線輸出像素的表面。也就是說，它是一個顏色數(shù)組。一個設(shè)備可以有一個或者多個活動的渲染目標(biāo)，可以通過SetRenderTarget來啟用。一個用于渲染目標(biāo)的表面只能放在Default池中，有三種渲染目標(biāo)：
· 渲染目標(biāo)表面Render target surfaces（通過CreateRenderTarget創(chuàng)建）
· 渲染目標(biāo)紋理Render target textures（tongguo D3DUSAGE_RENDERTARGET標(biāo)識來創(chuàng)建）
· 交換鏈Swap chains 交換鏈就是后備緩沖的集合，它們能夠相繼渲染到前緩沖，也就是屏幕上。一個在交換鏈中的后備緩沖可以當(dāng)作一個渲染目標(biāo)賦給一個設(shè)備。但是，不像其他的渲染目標(biāo)，交換鏈可以渲染到屏幕上，因為交換鏈?zhǔn)呛痛翱?全屏大小綁定的。可以創(chuàng)建多個交換鏈，注意更改默認(rèn)交換鏈大小會造成設(shè)備丟失，所以窗口程序會忽略默認(rèn)的交換鏈，而使用一個附加的交換鏈來避免這個問題。渲染目標(biāo)可以被鎖定（用來讀取），但是當(dāng)這個渲染目標(biāo)是活動的話，會影響系統(tǒng)性能。我們可以根據(jù)需要用IDirect3DDevice9::GetRenderTargetData來將一個在Default池中的渲染目標(biāo)拷貝出來。可以使用IDirect3DDevice9::StrechRectangle在兩個在顯卡內(nèi)存中的渲染目標(biāo)中進行高效拷貝。
批處理（Batching）【重劍注：這個是重點】
D3D的效率在很大程度上受制于傳給API的幾何模型數(shù)據(jù)的批次上。一個批處理就是調(diào)用一次DrawPrimitive或者DrawIndexPrimitive。在GPU可以處理數(shù)據(jù)前，CPU花相當(dāng)長時間來處理每批數(shù)據(jù)。現(xiàn)在常見的CPU和GPU，可以參考以下數(shù)據(jù)：
· 使用DX9，CPU每秒可以處理50,000批次；使用DX10，這個數(shù)據(jù)是200,000。
· 在DX9中，處理2,000個三角形在CPU和GPU所花的時間大致相等。在DX10中，這個數(shù)據(jù)是500。簡單的著色程序使這個數(shù)字增加，復(fù)雜的著色程序使這個數(shù)字減少。在CPU和GPU在同一個批次上花相同時間的情況下，實例化（Instancing）可以提高三角形的輸出能力。因為以上原因，每個批次中處理數(shù)據(jù)的數(shù)量越大越好，這樣能夠?qū)⑷切蔚耐掏铝孔畲蠡?/p>
在實踐中，具體有兩種方式：
· Consolidation合并：將相同性質(zhì)的幾何元素合并起來，通常是將一些屬性進行排序的結(jié)果
· Instancing實例化：將相同的幾何物體，經(jīng)過一些細(xì)微的，不同的變換后畫出多個實例來。例如世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和顏色轉(zhuǎn)換。【重劍思考：Q:游戲里角色的護腕部位要同樣的模型，不能是一個護腕，一個手套，這個就是為了Instancing？A:非也！兩個護腕其實是一個模型，美術(shù)畫的時候就是畫了一對（左右各一個），中間就是斷開的】
頂點，索引緩沖Vertex / Index Buffer
頂點和索引緩沖有兩種類型：靜態(tài)和動態(tài)的。
一旦創(chuàng)建之后，靜態(tài)的緩沖使用起來比動態(tài)的快一倍。但是，動態(tài)緩沖的加鎖和解鎖要比靜態(tài)的快，它們是為更改的每一幀設(shè)計的，通常被存儲在AGP卡槽內(nèi)存中。經(jīng)常對靜態(tài)緩沖加解鎖是不明智的，因為只有等驅(qū)動完成了所有掛起的命令之后才能返回該緩沖的指針。如果經(jīng)常這樣做，這會導(dǎo)致CPU和GPU很多不必要的同步，這樣性能將會變得很差。
為了得到最好的性能，必須采用動態(tài)緩存。這樣驅(qū)動可以繼續(xù)進行并行渲染。使用DISCARD或者是NOOVERWRITING標(biāo)志可以實現(xiàn)這一點，這樣驅(qū)動可以在更新數(shù)據(jù)的同時繼續(xù)處理老的數(shù)據(jù)。
DISCARD：這個標(biāo)志說明應(yīng)用程序不關(guān)心當(dāng)前緩沖的內(nèi)容。所以在緩沖被渲染的同時，驅(qū)動可以給應(yīng)用程序一個全新的緩沖。這個處理稱之為“buffer renaming”。注意，在實踐中，驅(qū)動傾向于不去釋放“緩沖重命名”中所用的內(nèi)存，因此這個標(biāo)志必須盡量少用。
NOOVERWRITE：這表示，對于之前添加的，不帶這個標(biāo)志的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序不會更改它。例如應(yīng)用程序只會在現(xiàn)有緩沖之后添加數(shù)據(jù)。所以驅(qū)動可以繼續(xù)使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行渲染。
CPU和GPU的并行處理
D3D runtime會將一堆命令做成命令串傳給GPU，這就允許GPU和CPU進行并行處理。這樣也是硬件加速渲染這么高效的原因之一。但是，在很多情況下，CPU和GPU必須進行同步之后才能做進一步的處理。通常來說，應(yīng)該盡量避免這種情況，因為這會導(dǎo)致整個流水管線的刷新，大幅降低性能。例如，對靜態(tài)緩沖加鎖，這要求GPU先處理完所有的命令之后，才能返回被鎖緩沖的指針。如果用動態(tài)緩沖，就可以避免，就像前面講過的一樣。
有一些同步是不可避免的，例如，CPU可能會需要一些GPU還來不及處理的命令結(jié)果。在這種情況下，用戶會感到畫面延遲Lag。要避免這種情況，可以在GPU落后兩三幀的情況下調(diào)用Present來強迫CPU等待GPU。因此，調(diào)用Present可能比較慢，但是正式它處理了必要的同步。
狀態(tài)的更換State Changes
不管冗余還是不冗余，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換在到達驅(qū)動層的時候，開銷總是很大。所以在某些層面，狀態(tài)轉(zhuǎn)換必須被過濾。一個對狀態(tài)進行更換的函數(shù)調(diào)用并不一定會開銷很大，因為D3D Runtime很有可能緩沖這些轉(zhuǎn)換請求，在真正調(diào)用DrawPrimitive函數(shù)之前不會去執(zhí)行它。多次的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也不會加大開銷，因為只使用最后一個狀態(tài)值。盡管如此，狀態(tài)轉(zhuǎn)換還是應(yīng)該盡量避免。某些狀態(tài)轉(zhuǎn)換會比其他的轉(zhuǎn)換的開銷更大。例如，對于更改處于活動狀態(tài)的頂點緩沖和像素緩沖會導(dǎo)致整個流水管線的刷新。因為在某些顯卡上，同一時間每個類型只有一個著色器可以處于活動狀態(tài)。一個圖形流水線可以很長，花一段時間才能完成一個像素的渲染。因此，整個流水線的刷新需要盡量避免。在不同的顯卡上，某個狀態(tài)的更新的花費差別可能會很大。另外，D3D的函數(shù)調(diào)用個數(shù)也必須盡量的少，雖然它的開銷不如達到驅(qū)動層的狀態(tài)更改那么大。可以使用狀態(tài)塊來減少D3D API的調(diào)用，狀態(tài)塊可以將狀態(tài)的更改集中在一起，并且可以重用。