Direct3D
# Direct3D

Direct3D ist eine Programmierschnittstelle (API) von Microsoft für 3D-Computergrafik. Direct3D ist ein Bestandteil von DirectX. Das 1992 von Servan Keondjian gegründete Unternehmen RenderMorphic wurde im Jahre 1995 von Microsoft gekauft, um dessen 3D-API Reality Labs zu Direct3D weiterzuentwickeln und 1996 in DirectX 2.0 zu integrieren. Keondjian leitete die Arbeiten und Doug Rabson agierte als Chefentwickler des Microsoft-Teams, das die 3D-API für Windows 95 entwickelte. Nach der Fertigstellung verließen Keondjian und Rabson das Unternehmen.

Direct3D dient dazu, Windows-Anwendungen einen möglichst direkten Zugriff auf die Hardware eines Computers zu geben. Häufig verwendet wird Direct3D vor allem für Computerspiele, bei dem es mit dem plattform- und betriebssystemunabhängigen OpenGL konkurriert. Direct3D verwendet anders als OpenGL ein linkshändiges Koordinatensystem.

Die lange Zeit eigenständige Programmierschnittstelle DirectDraw zur Programmierung von 2D-Computergrafik wurde mit DirectX 8.0 in Direct3D integriert.

Für die Grafikausgabe existiert in Windows neben Direct3D auch das Graphics Device Interface (GDI). Das GDI stellt eine abstrahierte Programmierschnittstelle zur Verfügung, bei der es für den Programmierer etwa wenig Unterschied macht, ob auf einen Bildschirm oder auf einen Drucker gezeichnet wird. Diese Abstraktion macht die Ausgabe selbst allerdings deutlich langsamer, unter anderem deshalb, weil das GDI komplexe Zeichenbefehle aus Grundoperationen nachbilden muss. Im Gegensatz zu Direct3D kommt das GDI daher vorrangig zur Darstellung gewöhnlicher Desktopapplikationen zum Einsatz, die nicht allzu grafik-intensiv sind. Mittlerweile existieren auch weitere Grafikschnittstellen in Windows, wie z. B. GDI+ oder Direct2D.

Mit Direct3D können Anwendungen dagegen an GDI vorbei direkt auf die Hardware zugreifen. Wenn ein Gerät einen komplexeren Befehl nicht unterstützt, so gibt Direct3D lediglich eine Fehlermeldung zurück. Es ist dann Aufgabe der Anwendung, auf diese Fehlermeldung adäquat zu reagieren – etwa durch Nachbildung des Befehls aus Grundoperationen, durch weniger detailgetreue Darstellung oder durch eine Fehlermeldung an den Anwender.

Verschiedene Grafikkarten unterstützen Direct3D durch Gerätetreiber, welche die standardisierten API-Befehle von Direct3D auf die Grafikhardware abbilden. Dabei unterscheidet Direct3D zwischen initialisierenden und ausführenden Befehlen. Initialisierende Befehle konvertieren komplexere Datenstrukturen – wie etwa Texturen – in das grafikkarten-spezifische Format, ausführende Befehle zeigen die derart konvertierten Elemente an. Da das Initialisieren und Konvertieren von Elementen einige Zeit in Anspruch nehmen kann, ist es bei Spielen üblich, dies während des Ladens eines neuen Levels zu tun. Ausführende Befehle sind dagegen auf größtmögliche Geschwindigkeit optimiert.

Moderne Grafikkarten stellen so genannte Hardware-Shader zur Verfügung. Diese Shader sind ausführbare Mini-Programme, welche zum Erzeugen von 3D-Effekten benutzt werden. Für die Programmierung der Shader definierte Microsoft eine eigene Maschinensprache, die von den beiden derzeit führenden Produzenten von Grafikchips, NVIDIA und AMD in ihren Chips überwiegend direkt unterstützt werden. Heutzutage werden aber vorwiegend Hochsprachen wie HLSL oder GLSL zur Shader-Programmierung genutzt. Direct3D erlaubt es, die verfügbaren Shader-Typen (Vertex-Shader, Pixel-Shader und Geometry-Shader) anzusteuern.

## Unterstützte Plattformen

Die ersten Versionen von Direct3D wurden für Windows 95 entwickelt. Die derzeit aktuelle Windows-Version von Direct3D ist Version 12.x, diese wird jedoch genauso wie Direct3D 10 nur in Windows Vista und Windows 7, sowie zusätzlich Windows 8 in neueren Unterversionen unterstützt. Die weiterhin verfügbare Version 9.0c unterstützt sowohl die Nachfolger von Windows 95 als auch – mit Windows XP – die NT-Linie.

Die von Microsoft produzierten Spielkonsolen Xbox und Xbox 360 werden ebenfalls mit Varianten von Direct3D programmiert. Neben diesen beiden von Microsoft offiziell unterstützten Plattformen existieren mit Cedega und Wine zwei Implementierungen des Direct3D-APIs für Linux. Auch die Sega Dreamcast war kompatibel zu Direct3D.

## Feature levels

Mit Direct3D 10.1 wurde das Konzept der feature levels eingeführt.

| | 9.1 | 9.2 | 9.3 | 10.0 | 10.1 | 11.0 | 11.1 | 12.0 | 12.1 |
| - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Shader-Modell | 2.0 | 2.0 | 4.0 (4.0_level_9_3) | 4.0 | 4.x | 5.0 | 5.0 | 5.1 | 5.1 |
| Geometry Shader | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Stream Out | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| DirectCompute / Compute-Shader | nein | nein | nein | teils | teils | ja | ja | ja | ja |
| Hull Shader | nein | nein | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja |
| Domain Shader | nein | nein | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja |
| Tiled Resources | nein | nein | nein | nein | nein | teils | teils | Tier2 | Tier2 |
| Conservative Rasterization | nein | nein | nein | nein | nein | nein | teils | teils | Tier1 |
| Rasterizer Order Views | nein | nein | nein | nein | nein | nein | teils | teils | ja |
| Min/Max Filters | nein | nein | nein | nein | nein | nein | teils | teils | ja |
| Map Default Buffer | nein | nein | nein | nein | nein | teils | teils | teils | teils |
| Texture Resource Array | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Cubemap Resoure Arrays | nein | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja |
| BC4/BC5-Kompression | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| BC6H/BC7 Kompression | nein | nein | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja |
| Alpha to Coverage | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Erweiterte Formate | ja | ja | ja | teils | teils | ja | ja | ja | ja |
| 10-bit pro Farbkanal | nein | nein | nein | teils | teils | ja | ja | ja | ja |
| Logische Operationen (Output Merger) | nein | nein | nein | teils | teils | teils | ja | ja | ja |
| Rasterisierung unabhängig vom Target | nein | nein | nein | nein | nein | nein | ja | ja | ja |
| Multiple Render Target (MRT) mit ForcedSampleCount 1 | nein | nein | nein | teils | teils | teils | ja | ja | ja |
| Unordered Access View (UAV)-Slots | - | - | - | 1 | 1 | 8 | 64 | 64 | 64 |
| UAV in jeder Stage | nein | nein | nein | nein | nein | nein | ja | ja | ja |
| max. ForcedSampleCount beim nur-UAV-Rendern | - | - | - | - | - | 8 | 16 | 16 | 16 |
| Constant Buffer Offsets und teilweise Aktualisierungen | ja | ja | ja | teils | teils | teils | ja | ja | ja |
| Formate mit 16 Bit pro Pixel | teils | teils | teils | teils | teils | teils | ja | ja | ja |
| max. Texturgröße | 2048 | 2048 | 4096 | 8192 | 8192 | 16384 | 16384 | 16384 | 16384 |
| max. Cubemapgröße | 512 | 512 | 4096 | 8192 | 8192 | 16384 | 16384 | 16384 | 16384 |
| max. Volumenausbreitung | 256 | 256 | 256 | 2048 | 2048 | 2048 | 2048 | 2048 | 2048 |
| max. Texturwiederholungen | 128 | 2048 | 8192 | 8192 | 8192 | 16384 | 16384 | 16384 | 16384 |
| max. Anisotropie | 2 | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 | 16 |
| max. Anzahl Primitive | $2^{16}-1$ | $2^{20}-1$ | $2^{20}-1$ | $2^{32}-1$ | $2^{32}-1$ | $2^{32}-1$ | $2^{32}-1$ | $2^{32}-1$ | $2^{32}-1$ |
| max. Input Slots | 16 | 16 | 16 | 16 | 32 | 32 | 32 | 32 | 32 |
| Render Targets simultan | 1 | 1 | 4 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| Occlusion Queries | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Separater Alpha-Blend | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Mirror Once | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Überlappende Vertex-Elemente | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Unabhängige Write Masks | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Instancing | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Texturen, die kein Vielfaches von 2 darstellen | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| Constant Buffer | nein | nein | nein | ja | ja | ja | ja | ja | ja |
| max. Anzahl Constant Buffer je Shader | - | - | - | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| max. Anzahl Konstanten im Constant Buffer | - | - | - | 4096 | 4096 | 4096 | 4096 | 4096 | 4096 |
| Index-Buffer Formate | 16-bit | 16-bit, 32-bit | 16-bit, 32-bit | 16-bit, 32-bit | 16-bit, 32-bit | 16-bit, 32-bit | 16-bit, 32-bit | 16-bit, 32-bit | 16-bit, 32-bit |
