Direct3D

Direct3D es una interfaz de programación de aplicaciones (API) gráfica para Microsoft Windows . Parte de DirectX , Direct3D se utiliza para renderizar gráficos tridimensionales en aplicaciones donde el rendimiento es importante, como los juegos. Direct3D utiliza la aceleración por hardware si está disponible en la tarjeta gráfica , lo que permite la aceleración por hardware de toda la canalización de renderizado 3D o incluso solo una aceleración parcial. Direct3D expone las capacidades gráficas avanzadas del hardware gráfico 3D, incluyendo Z-buffering , ^{[ 1 ]} W-buffering, ^{[ 2 ]} stencil buffering , suavizado espacial , mezcla alfa , mezcla de color, mipmapping , mezcla de texturas, ^{[ 3 ] [ 4 ]} recorte , culling , efectos atmosféricos, mapeo de texturas con corrección de perspectiva, sombreadores HLSL programables ^{[ 5 ]} y efectos. ^{[ 6 ]} La integración con otras tecnologías DirectX permite que Direct3D ofrezca características como mapeo de video, renderizado 3D por hardware en planos de superposición 2D e incluso sprites , lo que permite el uso de gráficos 2D y 3D en vínculos de medios interactivos.

Direct3D contiene muchos comandos para la renderización de gráficos 3D por computadora ; sin embargo, desde la versión 8, Direct3D ha reemplazado al marco DirectDraw y también se ha hecho cargo de la renderización de gráficos 2D . ^{[ 7 ]} Microsoft se esfuerza por actualizar continuamente Direct3D para admitir la última tecnología disponible en tarjetas gráficas 3D. Direct3D ofrece emulación de software de vértices completa , pero no emulación de software de píxeles para características no disponibles en el hardware. Por ejemplo, si el software programado con Direct3D requiere sombreadores de píxeles y la tarjeta de video en la computadora del usuario no admite esa característica, Direct3D no la emulará, aunque calculará y renderizará los polígonos y texturas de los modelos 3D, aunque con una calidad y rendimiento generalmente degradados en comparación con el equivalente de hardware. La API incluye un Rasterizador de Referencia (o dispositivo REF), que emula una tarjeta gráfica genérica en software, aunque es demasiado lento para la mayoría de las aplicaciones 3D en tiempo real y normalmente solo se usa para depuración. Un nuevo rasterizador de software en tiempo real, WARP , diseñado para emular el conjunto completo de funciones de Direct3D 10.1, se incluye con Windows 7 y Windows Vista Service Pack 2 con la Actualización de plataforma; se dice que su rendimiento está a la par con las tarjetas 3D de gama baja en CPU multinúcleo. ^{[ 8 ]}

Como parte de DirectX , Direct3D está disponible para Windows 95 y versiones posteriores, y constituye la base de la API de gráficos vectoriales en las distintas versiones de las consolas Xbox . La capa de compatibilidad Wine , una reimplementación de software libre de varias API de Windows, incluye una implementación de Direct3D.

El principal competidor de Direct3D es OpenGL de Khronos y su sucesor, Vulkan . Fahrenheit fue un intento de Microsoft y SGI por unificar OpenGL y Direct3D en la década de 1990, pero finalmente fue cancelado.

• Direct3D 6.0 – Multitexturizado
• Direct3D 7.0 – Transformación, recorte e iluminación por hardware (TCL/T&L), DXVA 1.0
• Direct3D 8.0 – Pixel Shader 1.0/1.1 y Vertex Shader 1.0/1.1 ^{[ 9 ]}
• Direct3D 8.1 – Pixel Shader 1.2/1.3/1.4 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}
• Direct3D 9.0 – Shader Model 2.0 (Pixel Shader 2.0 y Vertex Shader 2.0)
• Direct3D 9.0a – Shader Model 2.0a (Pixel Shader 2.0a y Vertex Shader 2.0a)
• Direct3D 9.0b – Pixel Shader 2.0b, H.264
• Direct3D 9.0c: última versión compatible con Windows 98 / ME (versiones iniciales) ^{[ 13 ]} y con Windows 2000 / XP (todas las versiones); ^{[ 14 ]} Shader Model 3.0 (Pixel Shader 3.0 y Vertex Shader 3.0)
• Direct3D 9Ex – Solo para Windows Vista ; Direct3D 9.0c, Shader Model 3.0, Windows Graphics Foundation 1.0, GPGPU , DXVA 2.0
• Direct3D 10.0 – Windows Vista/Windows 7; Shader Model 4.0 , Windows Graphics Foundation 2.0
• Direct3D 10.1 – Windows Vista SP1/Windows 7; Shader Model 4.1, Windows Graphics Foundation 2.1
• Direct3D 11.0 – Windows Vista SP2/ Windows 7 ; Shader Model 5.0, Teselación, Renderizado multihilo, Shaders de cómputo , implementados por hardware y software que ejecutan Direct3D 9/10/10.1
• Direct3D 11.1 – Windows 8 (compatible parcialmente también con Windows 7 SP1); Renderizado 3D estereoscópico, H.265
• Direct3D 11.2 – Windows 8.1 ; Recursos en mosaico
• Direct3D 11.3 – Windows 10
• Direct3D 12.0 – Windows 10 ; API de renderizado de bajo nivel , Shader Model 5.1 y 6.0
• Direct3D 12.1 – Windows 10; DirectX Raytracing
• Direct3D 12.2 – Windows 10; DirectX 12 Ultimate

En 1992, Servan Keondjian, Doug Rabson y Kate Seekings fundaron una empresa llamada RenderMorphics, que desarrolló una API de gráficos 3D llamada Reality Lab , la cual se utilizó en software de imágenes médicas y CAD. ^{[ 15 ]} Se lanzaron dos versiones de esta API. ^{[ 16 ]} Microsoft compró RenderMorphics en febrero de 1995, incorporando a su personal para implementar un motor de gráficos 3D para Windows 95.  [ ^{17 ] La} primera versión de Direct3D se lanzó en DirectX 2.0 (2 de junio de 1996) y DirectX 3.0 (26 de septiembre de 1996).

Direct3D implementó inicialmente una API 3D de " modo inmediato " y sobre ella una API 3D de " modo retenido ". ^{[ 18 ]} Ambos tipos de API ya se ofrecían con la segunda versión de Reality Lab antes del lanzamiento de Direct3D. ^{[ 16 ]} Al igual que otras API de DirectX, como DirectDraw , ambas se basaban en COM . La API de modo retenido era una API de grafo de escena que tuvo poca adopción. Los desarrolladores de juegos clamaban por un control más directo de las actividades del hardware del que podía proporcionar el modo retenido de Direct3D. Solo dos juegos que vendieron un volumen significativo, Lego Island y Lego Rock Raiders , se basaban en el modo retenido de Direct3D, por lo que Microsoft no actualizó la API de modo retenido después de DirectX 3.0.

Para DirectX 2.0 y 3.0, el modo inmediato de Direct3D utilizaba un modelo de programación de "búfer de ejecución" que Microsoft esperaba que los fabricantes de hardware soportaran directamente. Los búferes de ejecución estaban diseñados para asignarse en la memoria del hardware y ser procesados ​​por este para realizar la renderización 3D. Sin embargo, en aquel momento se consideraban extremadamente difíciles de programar, lo que dificultó la adopción de la nueva API y provocó peticiones para que Microsoft adoptara OpenGL como la API oficial de renderización 3D tanto para juegos como para aplicaciones de estaciones de trabajo. ^{[ 19 ]}

En lugar de adoptar OpenGL como API para juegos, Microsoft optó por seguir mejorando Direct3D, no solo para ser competitivo con OpenGL, sino para competir de manera más efectiva con otras API propietarias como Glide de 3dfx .

Desde el principio, el modo inmediato también admitía la representación en mosaico de Talisman con los métodos BeginScene/EndScene de la interfaz IDirect3DDevice.

No se planificaron cambios sustanciales en Direct3D para DirectX 4.0 , cuyo lanzamiento estaba previsto para finales de 1996 y que posteriormente se canceló. ^{[ 20 ]}

En diciembre de 1996, un equipo en Redmond se hizo cargo del desarrollo del modo inmediato de Direct3D, mientras que el equipo de RenderMorphics, con sede en Londres, continuó trabajando en el modo retenido. El equipo de Redmond añadió la API DrawPrimitive, que eliminó la necesidad de que las aplicaciones construyeran búferes de ejecución, haciendo que Direct3D se pareciera más a otras API de renderizado en modo inmediato como Glide y OpenGL . La primera versión beta de DrawPrimitive se lanzó en febrero de 1997, ^{[ 21 ]} y la versión final se lanzó con DirectX 5.0 en agosto de 1997. ^{[ 22 ]}

Además de introducir una API de modo inmediato más fácil de usar, DirectX 5.0 añadió el método SetRenderTarget que permitió a los dispositivos Direct3D escribir su salida gráfica en una variedad de superficies DirectDraw. ^{[ 23 ]}

DirectX 6.0 (lanzado en agosto de 1998) introdujo numerosas características para cubrir el hardware contemporáneo (como multitextura ^{[ 24 ]} y búferes de plantilla ), así como canalizaciones de geometría optimizadas para x87 , SSE y 3DNow! y administración de texturas opcional para simplificar la programación. ^{[ 25 ]} Direct3D 6.0 también incluyó soporte para características que Microsoft había licenciado de proveedores de hardware específicos para su inclusión en la API, a cambio de la ventaja de tiempo de comercialización para el proveedor de la licencia. El soporte para compresión de texturas S3 fue una de esas características, renombrada como DXTC para fines de inclusión en la API. Otra fue la técnica de mapeo de relieve propietaria de TriTech . Microsoft incluyó estas características en DirectX, luego las agregó a los requisitos necesarios para que los controladores obtuvieran un logotipo de Windows para fomentar una adopción generalizada de las características en el hardware de otros proveedores.

Una actualización menor de DirectX 6.0 llegó con la actualización DirectX 6.1 de febrero de 1999. Además de agregar soporte para DirectMusic por primera vez, esta versión mejoró el soporte para las extensiones 3D de Intel Pentium III . ^{[ 26 ]}

Un memorándum confidencial enviado en 1997 ^{[ 27 ]} muestra que Microsoft planeaba anunciar soporte completo para Talisman en DirectX 6.0, pero la API terminó siendo cancelada (consulte la página de Microsoft Talisman para obtener más detalles).

DirectX 7.0 (lanzado en septiembre de 1999) introdujo el formato de textura .dds ^{[ 28 ]} y soporte para aceleración de hardware de transformación e iluminación ^{[ 29 ]} (disponible por primera vez en hardware de PC con GeForce 256 de Nvidia ), así como la capacidad de asignar búferes de vértices en memoria de hardware. Los búferes de vértices de hardware representan la primera mejora sustancial sobre OpenGL en la historia de DirectX. Direct3D 7.0 también aumentó el soporte de DirectX para hardware de multitexturizado y representa la cúspide de las características de canalización de multitexturizado de función fija: aunque potente, era tan complicado de programar que se necesitaba un nuevo modelo de programación para exponer las capacidades de sombreado del hardware gráfico. Direct3D 7.0 también introdujo características DXVA .

DirectX 8.0 (lanzado en noviembre de 2000) introdujo la programabilidad en forma de sombreadores de vértices y píxeles , lo que permitió a los desarrolladores escribir código sin preocuparse por estados de hardware superfluos. ^{[ 30 ]} La complejidad de los programas de sombreado dependía de la complejidad de la tarea, y el controlador de pantalla compilaba esos sombreadores en instrucciones que el hardware podía entender. Direct3D 8.0 y sus capacidades de sombreado programable fueron la primera gran ruptura con una arquitectura de función fija al estilo OpenGL, donde el dibujo está controlado por una máquina de estados compleja. Direct3D 8.0 también eliminó DirectDraw como una API separada. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Direct3D englobó todas las llamadas restantes a la API de DirectDraw que aún se necesitaban para el desarrollo de aplicaciones, como Present(), la función utilizada para mostrar los resultados de renderizado.

Direct3D no se consideraba fácil de usar, pero a partir de la versión 8.1 de DirectX, se resolvieron muchos problemas de usabilidad. Direct3D 8 incluía muchas funciones potentes de gráficos 3D, como sombreadores de vértices , sombreadores de píxeles , niebla , mapeo de relieve y mapeo de texturas .

Direct3D 9.0 ^{[ 33 ]} (lanzado en diciembre de 2002) agregó una nueva versión del lenguaje de sombreado de alto nivel ^{[ 34 ] [ 35 ]} soporte para formatos de textura de punto flotante, objetivos de renderizado múltiples (MRT), ^{[ 36 ]} texturas de múltiples elementos, ^{[ 37 ]} búsquedas de texturas en el sombreador de vértices y técnicas de búfer de plantilla. ^{[ 38 ]}

Windows Vista incluye una actualización importante de la API Direct3D. Originalmente llamada WGF 2.0 (Windows Graphics Foundation 2.0), luego DirectX 10 y DirectX Next, Direct3D 10 ^{[ 42 ]} presenta un modelo de sombreado actualizado 4.0 y capacidad de interrupción opcional para programas de sombreado. ^{[ 41 ]} En este modelo, los sombreadores siguen constando de etapas fijas como en versiones anteriores, pero todas las etapas admiten una interfaz casi unificada, así como un paradigma de acceso unificado para recursos como texturas y constantes de sombreado. El lenguaje en sí se ha extendido para ser más expresivo, incluyendo operaciones con enteros, un número de instrucciones mucho mayor y construcciones de lenguaje más parecidas a C. Además de las etapas de sombreado de vértices y píxeles disponibles anteriormente , la API incluye una etapa de sombreado de geometría que rompe con el antiguo modelo de un vértice de entrada/un vértice de salida, para permitir que la geometría se genere desde dentro de un sombreador, lo que permite que la geometría compleja sea generada completamente por el hardware gráfico.

Windows XP y versiones anteriores no son compatibles con DirectX  10.0 y versiones posteriores. Además, Direct3D  10 dejó de ser compatible con la API de modo retenido, que había formado parte de Direct3D desde sus inicios, lo que hizo que Windows Vista fuera incompatible con los juegos 3D que habían utilizado la API de modo retenido como motor de renderizado . ^{[ 43 ]}

A diferencia de las versiones anteriores de la API, Direct3D 10 ya no utiliza bits de capacidad (o "caps") para indicar qué características son compatibles con un dispositivo gráfico determinado. En su lugar, define un estándar mínimo de capacidades de hardware que debe admitir un sistema de visualización para ser  compatible con Direct3D 10. Esto supone un cambio significativo, cuyo objetivo es simplificar el código de las aplicaciones eliminando el código de comprobación de capacidades y los casos especiales basados ​​en la presencia o ausencia de capacidades específicas.

Debido a que el hardware Direct3D  10 era relativamente escaso tras el lanzamiento inicial de Windows Vista y a la enorme base instalada de  tarjetas gráficas no compatibles con Direct3D 10, los primeros  juegos compatibles con Direct3D 10 aún ofrecían rutas de renderizado Direct3D 9. Ejemplos de estos títulos son juegos originalmente escritos para Direct3D  9 y portados a Direct3D  10 después de su lanzamiento, como Company of Heroes , o juegos desarrollados originalmente para Direct3D  9 con una  ruta Direct3D 10 adaptada posteriormente durante su desarrollo, como Hellgate: London o Crysis . El SDK de DirectX  10 estuvo disponible en febrero de 2007. ^{[ 44 ]}

Direct3D 11 ^{[ 59 ]} se lanzó como parte de Windows 7. Se presentó en Gamefest 2008 el 22 de julio de 2008 y se demostró en la conferencia técnica Nvision 08 el 26 de agosto de 2008. ^{[ 60 ] [ 61 ]} La vista previa técnica de Direct3D 11 se incluyó en la versión de noviembre de 2008 del SDK de DirectX. ^{[ 62 ]} AMD presentó hardware funcional de DirectX11 en Computex el 3 de junio de 2009, ejecutando algunas muestras del SDK de DirectX 11. ^{[ 63 ]}

El entorno de ejecución de Direct3D 11 puede ejecutarse en hardware y controladores de la clase Direct3D 9 y 10.x utilizando el concepto de "niveles de características" , ampliando la funcionalidad introducida por primera vez en el entorno de ejecución de Direct3D 10.1. ^{[ 56 ] [ 64 ] [ 65 ]} Los niveles de características permiten a los desarrolladores unificar la canalización de renderizado bajo la API de Direct3D 11 y utilizar mejoras de la API, como una mejor administración de recursos y multihilo, incluso en tarjetas de nivel básico, aunque las características avanzadas, como nuevos modelos de sombreado y etapas de renderizado, solo estarán expuestas en hardware de nivel superior. ^{[ 64 ] [ 66 ]} Hay tres perfiles "10 Nivel 9" que encapsulan varias capacidades de las tarjetas DirectX 9.0a populares, y Direct3D 10, 10.1 y 11 tienen cada uno un nivel de características separado; cada nivel superior es un superconjunto estricto de un nivel inferior. ^{[ 67 ]}

La teselación se consideró inicialmente para Direct3D 10, pero posteriormente se descartó. Las GPU como la Radeon R600 cuentan con un motor de teselación que puede utilizarse con Direct3D 9/10/10.1 ^{[ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]} y OpenGL, ^{[ 71 ]} pero no es compatible con Direct3D 11 (según Microsoft). El hardware gráfico más antiguo, como Radeon 8xxx y GeForce 3/4, tenía soporte para otra forma de teselación (parches RT, parches N), pero esas tecnologías nunca se utilizaron de forma sustancial. Por lo tanto, se eliminó su soporte en el hardware más reciente.

Microsoft también ha dado pistas sobre otras características, como la transparencia independiente del orden , que nunca fue expuesta por la API de Direct3D, pero que era compatible casi de forma transparente con el hardware Direct3D inicial, como la línea de chips PowerVR de Videologic.

Direct3D 12 ^{[ 114 ]} permite un nivel de abstracción de hardware inferior al de versiones anteriores, lo que permite que futuras aplicaciones mejoren significativamente la escalabilidad multihilo y reduzcan la utilización de la CPU. Esto se logra mediante una mejor adaptación de la capa de abstracción de Direct3D al hardware subyacente, a través de nuevas características como el dibujo indirecto, las tablas de descriptores, los objetos de estado de canalización concisos y los paquetes de llamadas de dibujo. La reducción de la sobrecarga del controlador es el principal atractivo de Direct3D 12, de forma similar a Mantle de AMD . ^{[ 114 ]} En palabras de su desarrollador principal, Max McMullen, el objetivo principal de Direct3D 12 es lograr una "eficiencia a nivel de consola" y un paralelismo de CPU mejorado. ^{[ 115 ] [ 116 ] [ 117 ]}

Aunque Nvidia ha anunciado un amplio soporte para Direct3D 12, también se mostraron algo reservados sobre el atractivo universal de la nueva API, señalando que si bien los desarrolladores de motores de juegos pueden estar entusiasmados con la posibilidad de administrar directamente los recursos de la GPU desde el código de su aplicación, "muchas otras personas no estarían contentas" de tener que hacerlo. ^{[ 118 ]}

También se incluyen algunas características de hardware nuevas en Direct3D 12, ^{[ 110 ] [ 108 ] [ 119 ]} incluyendo Shader Model 5.1, ^{[ 120 ]} Volume Tiled Resources (Tier 2), ^{[ 120 ]} Shader Specified Stencil Reference Value, Typed UAV Load, Conservative Rasterization (Tier 1), mejor colisión y eliminación con Conservative Rasterization, Rasterizer Ordered Views (ROV), Standard Swizzles, Default Texture Mapping, Swap Chains, recursos swizzled y recursos comprimidos , ^{[ 121 ]} modos de mezcla adicionales , ^{[ 122 ]} mezcla programable y transparencia independiente del orden eficiente (OIT) con UAV ordenado por píxeles. ^{[ 123 ]}

Los objetos de estado de canalización (PSO) ^{[ 124 ]} han evolucionado a partir de Direct3D 11, y los nuevos estados de canalización concisos significan que el proceso se ha simplificado. DirectX 11 ofrecía flexibilidad en cómo se podían modificar sus estados, en detrimento del rendimiento. Simplificar el proceso y unificar las canalizaciones (por ejemplo, los estados del sombreador de píxeles) conduce a un proceso más optimizado, reduciendo significativamente la sobrecarga y permitiendo que la tarjeta gráfica realice más llamadas por cada fotograma. Una vez creado, el PSO es inmutable. ^{[ 125 ]}

Las firmas raíz introducen configuraciones para vincular las listas de comandos con los recursos que requieren los sombreadores. Definen la disposición de los recursos que usarán los sombreadores y especifican qué recursos se vincularán a la canalización. Una lista de comandos gráficos tiene una firma raíz tanto gráfica como de cómputo, mientras que una lista de comandos de cómputo solo tendrá una firma raíz de cómputo. Estas firmas raíz son completamente independientes entre sí. Si bien la firma raíz establece los tipos de datos que usarán los sombreadores, no define ni asigna la memoria o los datos reales. ^{[ 126 ]}

Los parámetros raíz son un tipo de entrada en una firma raíz. Los valores reales de los parámetros raíz que se modifican en tiempo de ejecución se denominan argumentos raíz. Estos son los datos que leen los sombreadores. ^{[ 126 ]}

En Direct3D 11, los comandos se envían de la CPU a la GPU uno a uno, y la GPU los procesa secuencialmente. Esto significa que el procesamiento de los comandos se ve limitado por la velocidad a la que la CPU puede enviarlos de forma lineal. En DirectX 12, estos comandos se envían como listas de comandos, que contienen toda la información necesaria en un solo paquete. De esta forma, la GPU puede calcular y ejecutar el comando en un único proceso, sin tener que esperar información adicional de la CPU.

Dentro de estas listas de comandos se encuentran los paquetes. Mientras que antes los comandos simplemente se tomaban, se usaban y luego la GPU los olvidaba, los paquetes se pueden reutilizar. Esto reduce la carga de trabajo de la GPU y permite que los recursos repetidos se utilicen mucho más rápido.

Si bien la vinculación de recursos resulta bastante conveniente para los desarrolladores en Direct3D 11, su ineficiencia implica que varias capacidades de hardware modernas se subutilizan drásticamente. En DX11, cuando un motor de juego necesitaba recursos, tenía que generar los datos desde cero cada vez, lo que generaba procesos repetitivos y usos innecesarios. En Direct3D 12, los montones y tablas de descriptores permiten a los desarrolladores asignar los recursos más utilizados en tablas, a las que la GPU puede acceder de forma rápida y sencilla. Esto puede contribuir a un mejor rendimiento que Direct3D 11 en hardware equivalente, pero también implica más trabajo para el desarrollador.

Los montones dinámicos también son una característica de Direct3D 12. ^{[ 127 ]}

Direct3D 12 ofrece soporte explícito para múltiples adaptadores, lo que permite el control explícito de sistemas con múltiples GPU (mGPU). Estas configuraciones pueden crearse con adaptadores gráficos del mismo fabricante de hardware, así como con adaptadores de hardware de diferentes fabricantes. ^{[ 128 ]}

Microsoft lanzó en 2019 una versión experimental con soporte para D3D 12 para Windows 7 SP1 a través de un paquete NuGet específico. ^{[ 129 ] [ 130 ] [ 131 ]}

• Direct3D 12 versión 1607 : Con la actualización de aniversario de Windows 10 (versión 1607), publicada el 2 de agosto de 2016, el entorno de ejecución de Direct3D 12 se actualizó para admitir construcciones para multihilo explícito y comunicación entre procesos, lo que permite a los desarrolladores aprovechar las GPU masivamente paralelas modernas. ^{[ 132 ]} Otras características incluyen firmas raíz actualizadas versión 1.1, así como compatibilidad con el formato HDR10 y frecuencias de actualización variables .
• Direct3D 12 versión 1703 : Con la actualización Windows 10 Creators Update (versión 1703), lanzada el 11 de abril de 2017, el entorno de ejecución de Direct3D 12 se actualizó para admitir Shader Model 6.0 y DXIL . Shader Model 6.0 requiere Windows 10 Anniversary Update (versión 1607) y WDDM 2.1. Las nuevas características gráficas son Depth Bounds Testing y Programmable MSAA. ^{[ 133 ]}
• Direct3D 12 versión 1709 : Direct3D en Windows 10 Fall Creators Update (versión 1709), lanzado el 17 de octubre de 2017, incluye una depuración mejorada. ^{[ 133 ]}
• Direct3D 12 versión 1809 : la actualización de Windows 10 de octubre de 2018 (versión 1809) incorpora compatibilidad con DirectX Raytracing para que las GPU puedan beneficiarse de su API.
• Direct3D 12 versión 1903 : la actualización de Windows 10 de mayo de 2019 (versión 1903) trae soporte para DirectML y NPU . ^{[ 134 ] [ 135 ]} DirectML puede admitir sombreadores de cómputo y sombreadores tensoriales .
• Direct3D 12 versión 2004 : la actualización de Windows 10 de mayo de 2020 (versión 2004) trae compatibilidad con DirectX 12 Ultimate , sombreadores de malla y amplificación, ^{[ 136 ]} retroalimentación de muestreo, ^{[ 137 ]} así como DirectX Raytracing Tier 1.1 ^{[ 138 ]} y mejoras en la asignación de memoria. ^{[ 139 ]}
• Direct3D 12 versión 21H2 : Windows 10 versión 21H2 y Windows 11 versión 21H2 incorporan compatibilidad con DirectStorage .

Direct3D es un componente del subsistema de la API DirectX de Microsoft . Su objetivo es abstraer la comunicación entre una aplicación gráfica y los controladores de hardware gráfico. Se presenta como una capa abstracta delgada, a un nivel comparable al de GDI (véase el diagrama adjunto). Direct3D incluye numerosas características de las que carece GDI.

Direct3D es una API gráfica de modo inmediato . Proporciona una interfaz de bajo nivel para todas las funciones 3D de la tarjeta gráfica ( transformaciones, recorte, iluminación , materiales , texturas , almacenamiento en búfer de profundidad , etc.). Anteriormente contaba con un componente de modo retenido de nivel superior , que ahora está oficialmente descontinuado.

El modo inmediato de Direct3D presenta tres abstracciones principales: dispositivos , recursos y cadenas de intercambio (véase el diagrama adjunto). Los dispositivos son responsables de renderizar la escena 3D. Proporcionan una interfaz con diferentes capacidades de renderizado. Por ejemplo, el dispositivo monocromático ofrece renderizado en blanco y negro, mientras que el dispositivo RGB renderiza en color. Existen cuatro tipos de dispositivos:

• Dispositivo HAL ( capa de abstracción de hardware ): Para dispositivos que admiten aceleración de hardware.

• Dispositivo de referencia : Simula nuevas funciones que aún no están disponibles en el hardware. Es necesario instalar el SDK de Direct3D para usar este tipo de dispositivo.
• Dispositivo de referencia nulo : No hace nada. Este dispositivo se utiliza cuando el SDK no está instalado y se solicita un dispositivo de referencia.
• Dispositivo de software conectable : Realiza renderizado por software. Este dispositivo se introdujo con DirectX 9.0 . ^{[ 140 ]}

Cada dispositivo contiene al menos una cadena de intercambio . Una cadena de intercambio está compuesta por una o más superficies de búfer posterior . El renderizado se realiza en el búfer posterior.

Además, los dispositivos contienen una colección de recursos ; datos específicos utilizados durante la renderización. Cada recurso tiene cuatro atributos:

• Tipo : Determina el tipo de recurso: superficie, volumen, textura, textura de cubo, textura de volumen, textura de superficie, búfer de índice o búfer de vértice.
• Grupo : ^{[ 141 ]} Describe cómo el entorno de ejecución gestiona el recurso y dónde se almacena. En el grupo predeterminado, el recurso solo existirá en la memoria del dispositivo. Los recursos del grupo gestionado se almacenarán en la memoria del sistema y se enviarán al dispositivo cuando sea necesario. Los recursos del grupo de memoria del sistema solo existirán en la memoria del sistema. Por último, el grupo de memoria temporal es básicamente igual que el grupo de memoria del sistema, pero los recursos no están sujetos a restricciones de hardware.
• Formato : Describe la disposición de los datos de recursos en la memoria. Por ejemplo, el valor de formato D3DFMT_R8G8B8 significa una profundidad de color de 24 bits (8 bits para el rojo, 8 bits para el verde y 8 bits para el azul).
• Uso : Describe, mediante un conjunto de indicadores , cómo la aplicación utilizará el recurso. Estos indicadores determinan qué recursos se utilizan en patrones de acceso dinámico o estático. Los valores de los recursos estáticos no cambian después de cargarse, mientras que los valores de los recursos dinámicos pueden modificarse.

Direct3D implementa dos modos de visualización:

• Modo de pantalla completa: La aplicación Direct3D genera toda la salida gráfica para el dispositivo de visualización. En este modo, Direct3D captura automáticamente la combinación Alt+Tab y ajusta/restaura la resolución de pantalla y el formato de píxeles sin intervención del programador. Esto también genera numerosos problemas para la depuración debido al "Modo cooperativo exclusivo".
• Modo ventana: El resultado se muestra dentro del área de una ventana. Direct3D se comunica con GDI para generar la salida gráfica en la pantalla. El modo ventana puede ofrecer el mismo rendimiento que el modo de pantalla completa, dependiendo de la compatibilidad del controlador.

La API de Microsoft Direct3D 11 define un proceso para convertir un grupo de vértices, texturas, búferes y estado en una imagen en la pantalla. Este proceso se describe como una canalización de renderizado con varias etapas distintas. Las diferentes etapas de la canalización de Direct3D 11 son: ^{[ 142 ]}

1. Ensamblador de entrada : ^{[ 143 ]} Lee datos de vértices desde un búfer de vértices proporcionado por la aplicación y los alimenta a través de la tubería.
2. Vertex Shader : ^{[ 144 ]} Realiza operaciones en un solo vértice a la vez, como transformaciones, skinning o iluminación.
3. Hull-Shader : ^{[ 145 ]} Realiza operaciones en conjuntos de puntos de control de parches y genera datos adicionales conocidos como constantes de parche.
4. Tessellator : ^{[ 146 ]} Subdivide la geometría para crear representaciones de orden superior del casco.
5. Domain-Shader : ^{[ 147 ]} Realiza operaciones en los vértices generados por la etapa de teselación, de forma muy similar a como lo haría un sombreador de vértices.
6. Sombreador de geometría : ^{[ 148 ]} Procesa primitivas completas como triángulos, puntos o líneas. Dada una primitiva, esta etapa la descarta o genera una o más primitivas nuevas.
7. Salida de flujo : ^{[ 149 ]} Puede escribir los resultados de la etapa anterior en la memoria. Esto es útil para recircular los datos de vuelta a la canalización.
8. Rasterizador : ^{[ 150 ] [ 151 ]} Convierte primitivas en píxeles, alimentando estos píxeles al sombreador de píxeles. El rasterizador también puede realizar otras tareas, como recortar lo que no es visible o interpolar datos de vértices en datos por píxel.
9. Pixel Shader : ^{[ 152 ]} Determina el color final del píxel que se escribirá en el destino de renderizado y también puede calcular un valor de profundidad que se escribirá en el búfer de profundidad.
10. Output-Merger : ^{[ 153 ]} Combina varios tipos de datos de salida ( valores de sombreado de píxeles , mezcla alfa, profundidad/plantilla...) para construir el resultado final.

Las etapas del proceso, representadas con un recuadro redondo, son totalmente programables. La aplicación proporciona un programa de sombreado que describe las operaciones exactas que deben realizarse en cada etapa. Muchas etapas son opcionales y pueden desactivarse por completo.

En Direct3D 5 a 9, cuando las nuevas versiones de la API introdujeron compatibilidad con nuevas capacidades de hardware, la mayoría de ellas eran opcionales: cada fabricante de tarjetas gráficas mantenía su propio conjunto de funciones compatibles, además de la funcionalidad básica requerida. La compatibilidad con funciones individuales debía determinarse mediante "bits de capacidad" o "límites", lo que convertía la programación gráfica entre diferentes fabricantes en una tarea compleja.

Direct3D 10 introdujo un conjunto mucho más simplificado de requisitos de hardware obligatorios basados ​​en las capacidades más populares de Direct3D 9, a los que debían ajustarse todas las tarjetas gráficas compatibles, con solo unas pocas capacidades opcionales para formatos de textura y operaciones compatibles.

Direct3D 10.1 añadió algunos requisitos de hardware obligatorios nuevos, y para mantener la compatibilidad con el hardware y los controladores de la versión 10.0, estas características se encapsularon en dos conjuntos denominados "niveles de características", donde el nivel 10.1 formaba un superconjunto del nivel 10.0. A medida que Direct3D 11.0, 11.1 y 12 añadieron compatibilidad con nuevo hardware, las nuevas capacidades obligatorias se agruparon aún más en niveles de características superiores. ^{[ 56 ]}

Direct3D 11 también introdujo "10level9", un subconjunto de la API de Direct3D 10 con tres niveles de características que encapsulan varias tarjetas Direct3D 9 con controladores WDDM , y Direct3D 11.1 reintrodujo algunas características opcionales para todos los niveles, ^{[ 154 ]} que se ampliaron en Direct3D 11.2 y versiones posteriores.

Este enfoque permite a los desarrolladores unificar la canalización de renderizado y utilizar una única versión de la API tanto en hardware nuevo como antiguo, aprovechando las mejoras de rendimiento y usabilidad del entorno de ejecución más reciente. ^{[ 60 ]}

Se introducen nuevos niveles de funcionalidades con las versiones actualizadas de la API y, por lo general, encapsulan:

• Características obligatorias principales – (Direct3D 11.0, 12),
• algunas características menores (Direct3D 10.1, 11.1), o
• un conjunto común de características que antes eran opcionales (Direct3D 11.0 "10 nivel 9").

Cada nivel superior es un superconjunto estricto de un nivel inferior, con solo unas pocas características nuevas o previamente opcionales que se incorporan a la funcionalidad principal en un nivel superior. ^{[ 67 ]} Las características más avanzadas en una revisión importante de la API Direct3D, como los nuevos modelos de sombreado y las etapas de renderizado, solo se exponen en el hardware de nivel superior. ^{[ 65 ] [ 66 ]}

Existen capacidades separadas para indicar la compatibilidad con operaciones de textura y formatos de recursos específicos; estas se especifican para cada formato de textura mediante una combinación de indicadores de capacidad. ^{[ 155 ] [ 156 ]}

Los niveles de características utilizan el guion bajo como delimitador (por ejemplo, "12_1"), mientras que las versiones de API/tiempo de ejecución utilizan el punto (por ejemplo, "Direct3D 11.4").

El modelo de controlador WDDM en Windows Vista y versiones posteriores admite un número arbitrariamente grande de contextos de ejecución (o subprocesos) en hardware o software. Windows XP solo admitía el acceso multitarea a Direct3D, donde distintas aplicaciones podían ejecutarse en ventanas diferentes y ser aceleradas por hardware, y el sistema operativo tenía un control limitado sobre lo que la GPU podía hacer, y el controlador podía cambiar los subprocesos de ejecución arbitrariamente.

La capacidad de ejecutar el entorno de ejecución en modo multihilo se introdujo con el entorno de ejecución Direct3D 11. Cada contexto de ejecución se presenta con una vista de recursos de la GPU. Los contextos de ejecución están protegidos entre sí; sin embargo, una aplicación maliciosa o mal programada puede tomar el control de la ejecución en el controlador de modo de usuario y potencialmente acceder a datos de otro proceso en la memoria de la GPU mediante el envío de comandos modificados. Aunque está protegida del acceso de otras aplicaciones, una aplicación bien programada aún necesita protegerse contra fallas y pérdida de datos del dispositivo causadas por otras aplicaciones.

El sistema operativo gestiona los hilos de forma autónoma, permitiendo que el hardware cambie de un hilo a otro cuando sea apropiado, y también se encarga de la gestión de la memoria y la paginación (a la memoria del sistema y al disco) mediante la gestión de memoria integrada del núcleo del sistema operativo.

La conmutación de contexto más precisa, es decir, la capacidad de cambiar entre dos hilos de ejecución a nivel de instrucción de sombreado en lugar de a nivel de comando único o incluso de lote de comandos, se introdujo en WDDM/DXGI 1.2, incluido en Windows 8. ^{[ 86 ]} Esto supera un posible problema de planificación cuando la aplicación tendría una ejecución muy larga de un solo comando o lote de comandos y tendría que ser terminada por el temporizador de vigilancia del sistema operativo. ^{[ 163 ]}

WDDM 2.0 y DirectX 12 se han rediseñado para permitir llamadas de dibujo totalmente multihilo. Esto se logró haciendo que todos los recursos fueran inmutables (es decir, de solo lectura), serializando los estados de renderizado y utilizando paquetes de llamadas de dibujo. Esto evita la gestión compleja de recursos en el controlador en modo kernel, lo que posibilita múltiples llamadas reentrantes al controlador en modo usuario a través de contextos de ejecución concurrente proporcionados por hilos de renderizado independientes en la misma aplicación.

Direct3D Mobile deriva de Direct3D pero tiene un menor consumo de memoria . Windows CE ofrece compatibilidad con Direct3D Mobile. ^{[ 164 ]}

Existen las siguientes implementaciones alternativas de la API Direct3D. Son útiles para plataformas que no son Windows y para hardware que no admite algunas versiones de DX:

• DXVK : una capa de traducción de código abierto basada en Vulkan para Direct3D 8/9/10/11 que permite ejecutar aplicaciones 3D en Linux usando Wine. ^{[ 165 ] [ 166 ]} Es utilizada por Proton / Steam ^{[ 167 ]} para Linux. DXVK puede ejecutar una gran cantidad de juegos modernos de Windows en Linux.
  • D7VK – Una bifurcación de DXVK exclusivamente para Direct3D 3, 5, 6 y 7. ^{[ 168 ] [ 169 ] [ 170 ] [ 171 ]}
  • D8VK : una bifurcación obsoleta de DXVK para agregar soporte para Direct3D 8 en Linux. ^{[ 172 ]} Se fusionó con la versión 2.4 de DXVK, que se lanzó el 10 de julio de 2024.
  • D9VK : una bifurcación obsoleta de DXVK para agregar soporte para Direct3D 9, ^{[ 173 ]} incluida con Steam/Proton en Linux. ^{[ 174 ]} El 16 de diciembre de 2019, D9VK se fusionó con DXVK. ^{[ 175 ]}
• Gallium Nine permite ejecutar aplicaciones Direct3D 9 en Linux de forma nativa, es decir, sin ninguna traducción de llamadas, lo que proporciona una velocidad casi nativa. Depende de Wine y Mesa . ^{[ 176 ] [ 177 ]}
• vkd3d – vkd3d es una biblioteca de gráficos 3D de código abierto construida sobre Vulkan que permite ejecutar aplicaciones Direct3D 12 sobre Vulkan . ^{[ 178 ]} Es utilizada principalmente por el proyecto Wine , ^{[ 179 ] [ 180 ]} y ahora está incluida con el proyecto Proton de Valve incluido con Steam en Linux.
• WineD3D : el proyecto de código abierto Wine cuenta con implementaciones funcionales de las API de Direct3D mediante traducción a OpenGL . ^{[ 181 ]} La implementación de Wine también puede ejecutarse en Windows bajo ciertas condiciones. ^{[ 182 ]}

• Lista de API de renderizado 3D
• Lista de bibliotecas de gráficos 3D
• Lenguaje de sombreado de alto nivel
• Sombreador
• DirectX : conjunto de API en las que se implementa Direct3D.
• DirectDraw
• Gráficos por computadora en 3D

• Sitio web de DirectX
• MSDN: Gráficos y juegos con DirectX
• DirectX 10: El futuro de los juegos de PC , artículo técnico que analiza las nuevas características de DirectX 10 y su impacto en los juegos de ordenador.