スワップチェーンのスケーリングとオーバーレイ

[アーティクル]
07/13/2023

モバイルデバイスでのレンダリングを高速化するためにスケーリングされたスワップチェーンを作成し、オーバーレイスワップチェーン (使用できる場合) を使って画質を高める方法について説明します。

DirectX 11.2 でのスワップチェーン

Direct3D 11.2 では、ネイティブでない (より低い) 解像度から拡大されたスワップチェーンを使ったユニバーサル Windows プラットフォーム (UWP) アプリを作成でき、フィルレートを高速化できます。また、Direct3D 11.2 には、別のスワップチェーンでネイティブの解像度で UI を表示できる、ハードウェアオーバーレイを使ったレンダリング用の API も含まれています。これにより、ゲームで高いフレームレートを維持しながらネイティブのフル解像度で UI を描画できるため、モバイルデバイスと高 DPI ディスプレイ (3840 x 2160 など) の性能を最大限引き出すことができます。この記事では、オーバーラップスワップチェーンを使う方法について説明します。

Direct3D 11.2 には、フリップモデルのスワップチェーンで待機時間を短縮するための新しい機能も含まれています。「DXGI 1.3 スワップチェーンによる遅延の減少」をご覧ください。

スワップチェーンのスケーリングの使用

下位のハードウェアまたは電力消費を抑えるために最適化されたハードウェアでゲームを実行するときに、ディスプレイのネイティブの機能よりも低い解像度を使って、リアルタイムのゲームコンテンツをレンダリングする方法が有効である場合があります。そのためには、ゲームコンテンツをレンダリングするために使うスワップチェーンをネイティブの解像度よりも小さくするか、スワップチェーンのサブ領域を使う必要があります。

最初に、ネイティブのフル解像度でスワップチェーンを作成します。

DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1 swapChainDesc = {0};

swapChainDesc.Width = static_cast<UINT>(m_d3dRenderTargetSize.Width); // Match the size of the window.
swapChainDesc.Height = static_cast<UINT>(m_d3dRenderTargetSize.Height);
swapChainDesc.Format = DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM; // This is the most common swap chain format.
swapChainDesc.Stereo = false;
swapChainDesc.SampleDesc.Count = 1; // Don't use multi-sampling.
swapChainDesc.SampleDesc.Quality = 0;
swapChainDesc.BufferUsage = DXGI_USAGE_RENDER_TARGET_OUTPUT;
swapChainDesc.BufferCount = 2; // Use double-buffering to minimize latency.
swapChainDesc.SwapEffect = DXGI_SWAP_EFFECT_FLIP_SEQUENTIAL; // All UWP apps must use this SwapEffect.
swapChainDesc.Flags = 0;
swapChainDesc.Scaling = DXGI_SCALING_STRETCH;

// This sequence obtains the DXGI factory that was used to create the Direct3D device above.
ComPtr<IDXGIDevice3> dxgiDevice;
DX::ThrowIfFailed(
    m_d3dDevice.As(&dxgiDevice)
    );

ComPtr<IDXGIAdapter> dxgiAdapter;
DX::ThrowIfFailed(
    dxgiDevice->GetAdapter(&dxgiAdapter)
    );

ComPtr<IDXGIFactory2> dxgiFactory;
DX::ThrowIfFailed(
    dxgiAdapter->GetParent(IID_PPV_ARGS(&dxgiFactory))
    );

ComPtr<IDXGISwapChain1> swapChain;
DX::ThrowIfFailed(
    dxgiFactory->CreateSwapChainForCoreWindow(
        m_d3dDevice.Get(),
        reinterpret_cast<IUnknown*>(m_window.Get()),
        &swapChainDesc,
        nullptr,
        &swapChain
        )
    );

DX::ThrowIfFailed(
    swapChain.As(&m_swapChain)
    );

次に、ソースサイズを低い解像度に設定して拡大するスワップチェーンのサブ領域を選びます。

DX 前景スワップチェーンのサンプルでは、小さくした解像度をパーセントで計算しています。

m_d3dRenderSizePercentage = percentage;

UINT renderWidth = static_cast<UINT>(m_d3dRenderTargetSize.Width * percentage + 0.5f);
UINT renderHeight = static_cast<UINT>(m_d3dRenderTargetSize.Height * percentage + 0.5f);

// Change the region of the swap chain that will be presented to the screen.
DX::ThrowIfFailed(
    m_swapChain->SetSourceSize(
        renderWidth,
        renderHeight
        )
    );

スワップチェーンのサブ領域に合わせてビューポートを作成します。

// In Direct3D, change the Viewport to match the region of the swap
// chain that will now be presented from.
m_screenViewport = CD3D11_VIEWPORT(
    0.0f,
    0.0f,
    static_cast<float>(renderWidth),
    static_cast<float>(renderHeight)
    );

m_d3dContext->RSSetViewports(1, &m_screenViewport);

Direct2D が使われている場合は、ソース領域に合わせて回転の変換を調整する必要があります。

UI 要素のためのハードウェアオーバーレイスワップチェーンの作成

スワップチェーンのスケーリングを使った場合、この手法に固有の短所として、UI も縮小され、ぼやけて使いづらくなる可能性があります。オーバーレイスナップチェーンがハードウェアサポートされているデバイスでは、この問題を解決するために、リアルタイムのゲームコンテンツとは別のスワップチェーンを使ってネイティブの解像度で UI をレンダリングします。この手法は CoreWindow スワップチェーンにのみ適用される点に注意してください。XAML との相互運用には使用できません。

ハードウェアオーバーレイ機能を使う前景スワップチェーンを作成するには、次の手順を実行します。この手順は、前に述べたように最初にリアルタイムのゲームコンテンツ用のスワップチェーンを作成した後で実行されます。

まず、DXGI アダプターでオーバーレイがサポートされているかどうかを調べます。スワップチェーンから DXGI 出力アダプターを取得します。
```
ComPtr<IDXGIAdapter> outputDxgiAdapter;
DX::ThrowIfFailed(
    dxgiFactory->EnumAdapters(0, &outputDxgiAdapter)
    );

ComPtr<IDXGIOutput> dxgiOutput;
DX::ThrowIfFailed(
    outputDxgiAdapter->EnumOutputs(0, &dxgiOutput)
    );

ComPtr<IDXGIOutput2> dxgiOutput2;
DX::ThrowIfFailed(
    dxgiOutput.As(&dxgiOutput2)
    );
```
DXGI アダプターでは、出力アダプターが SupportsOverlays に対して True を返す場合はオーバーレイがサポートされます。
```
m_overlaySupportExists = dxgiOutput2->SupportsOverlays() ? true : false;
```
注 DXGI アダプターでオーバーレイがサポートされる場合は、次の手順に進みます。デバイスがオーバーレイをサポートしない場合は、複数のスワップチェーンを使ったレンダリングは効率的ではありません。代わりに、リアルタイムのゲームコンテンツと同じスワップチェーンで解像度を下げて UI をレンダリングします。
IDXGIFactory2::CreateSwapChainForCoreWindow を使って前景スワップチェーンを作成します。次のオプションを DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1 で設定し、pDesc パラメーターに提供する必要があります。
- 前景スワップチェーンを示す DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_FOREGROUND_LAYER スワップチェーンフラグを指定します。
- DXGI_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED アルファモードフラグを使用します。前景スワップチェーンは常にプリマルチプライ済みです。
- DXGI_SCALING_NONE フラグを設定します。前景スワップチェーンは、常にネイティブの解像度で実行されます。
```
 foregroundSwapChainDesc.Flags = DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_FOREGROUND_LAYER;
 foregroundSwapChainDesc.Scaling = DXGI_SCALING_NONE;
 foregroundSwapChainDesc.AlphaMode = DXGI_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED; // Foreground swap chain alpha values must be premultiplied.
```
注スワップチェーンのサイズが変更されるたびに、DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_FOREGROUND_LAYER を設定し直します。
```
HRESULT hr = m_foregroundSwapChain->ResizeBuffers(
    2, // Double-buffered swap chain.
    static_cast<UINT>(m_d3dRenderTargetSize.Width),
    static_cast<UINT>(m_d3dRenderTargetSize.Height),
    DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM,
    DXGI_SWAP_CHAIN_FLAG_FOREGROUND_LAYER // The FOREGROUND_LAYER flag cannot be removed with ResizeBuffers.
    );
```

2 つのスワップチェーンが使われている場合は、最大フレーム待機時間の値を増やして 2 に設定し、DXGI アダプターで両方のスワップチェーンを同時に表示する時間を確保します (同じ VSync 間隔で)。

// Create a render target view of the foreground swap chain's back buffer.
if (m_foregroundSwapChain)
{
    ComPtr<ID3D11Texture2D> foregroundBackBuffer;
    DX::ThrowIfFailed(
        m_foregroundSwapChain->GetBuffer(0, IID_PPV_ARGS(&foregroundBackBuffer))
        );

    DX::ThrowIfFailed(
        m_d3dDevice->CreateRenderTargetView(
            foregroundBackBuffer.Get(),
            nullptr,
            &m_d3dForegroundRenderTargetView
            )
        );
}

前景スワップチェーンでは、プリマルチプライアルファ値が必ず使われます。各ピクセルのカラー値は、フレームが表示される前にアルファ値が乗算されることが前提となります。たとえば、アルファ値 50% の場合、100% 白の BGRA ピクセルは (0.5, 0.5, 0.5, 0.5) に設定されます。

アルファ値のプリマルチプライの手順は、アプリのブレンド状態を適用することにより、出力マージャーステージで実行できます (ID3D11BlendState を参照してください)。それには、D3D11_RENDER_TARGET_BLEND_DESC 構造の SrcBlend フィールドを D3D11_SRC_ALPHA に設定します。プリマルチプライアルファ値を含むアセットを使うこともできます。

アルファ値のプリマルチプライの手順が実行されていない場合、前景スワップチェーンのカラーは想定よりも明るくなります。

前景スワップチェーンが作成されたかどうかに応じて、UI 要素の Direct2D 描画サーフェスを前景スワップチェーンに関連付けることが必要になる場合があります。

レンダーターゲットビューを作成します。

// Create a render target view of the foreground swap chain's back buffer.
if (m_foregroundSwapChain)
{
    ComPtr<ID3D11Texture2D> foregroundBackBuffer;
    DX::ThrowIfFailed(
        m_foregroundSwapChain->GetBuffer(0, IID_PPV_ARGS(&foregroundBackBuffer))
        );

    DX::ThrowIfFailed(
        m_d3dDevice->CreateRenderTargetView(
            foregroundBackBuffer.Get(),
            nullptr,
            &m_d3dForegroundRenderTargetView
            )
        );
}

Direct2D 描画サーフェスを作成します。

if (m_foregroundSwapChain)
{
    // Create a Direct2D target bitmap for the foreground swap chain.
    ComPtr<IDXGISurface2> dxgiForegroundSwapChainBackBuffer;
    DX::ThrowIfFailed(
        m_foregroundSwapChain->GetBuffer(0, IID_PPV_ARGS(&dxgiForegroundSwapChainBackBuffer))
        );

    DX::ThrowIfFailed(
        m_d2dContext->CreateBitmapFromDxgiSurface(
            dxgiForegroundSwapChainBackBuffer.Get(),
            &bitmapProperties,
            &m_d2dTargetBitmap
            )
        );
}
else
{
    // Create a Direct2D target bitmap for the swap chain.
    ComPtr<IDXGISurface2> dxgiSwapChainBackBuffer;
    DX::ThrowIfFailed(
        m_swapChain->GetBuffer(0, IID_PPV_ARGS(&dxgiSwapChainBackBuffer))
        );

    DX::ThrowIfFailed(
        m_d2dContext->CreateBitmapFromDxgiSurface(
            dxgiSwapChainBackBuffer.Get(),
            &bitmapProperties,
            &m_d2dTargetBitmap
            )
        );
}

m_d2dContext->SetTarget(m_d2dTargetBitmap.Get());

// Create a render target view of the swap chain's back buffer.
ComPtr<ID3D11Texture2D> backBuffer;
DX::ThrowIfFailed(
    m_swapChain->GetBuffer(0, IID_PPV_ARGS(&backBuffer))
    );

DX::ThrowIfFailed(
    m_d3dDevice->CreateRenderTargetView(
        backBuffer.Get(),
        nullptr,
        &m_d3dRenderTargetView
        )
    );

前景スワップチェーンを、リアルタイムのゲームコンテンツに使うスケーリングされたスワップチェーンと共に表示します。両方のスワップチェーンに対してフレーム待機時間が 2 に設定されているため、DXGI は同じ VSync 間隔内で両方を表示できます。

// Present the contents of the swap chain to the screen.
void DX::DeviceResources::Present()
{
    // The first argument instructs DXGI to block until VSync, putting the application
    // to sleep until the next VSync. This ensures that we don't waste any cycles rendering
    // frames that will never be displayed to the screen.
    HRESULT hr = m_swapChain->Present(1, 0);

    if (SUCCEEDED(hr) && m_foregroundSwapChain)
    {
        m_foregroundSwapChain->Present(1, 0);
    }

    // Discard the contents of the render targets.
    // This is a valid operation only when the existing contents will be entirely
    // overwritten. If dirty or scroll rects are used, this call should be removed.
    m_d3dContext->DiscardView(m_d3dRenderTargetView.Get());
    if (m_foregroundSwapChain)
    {
        m_d3dContext->DiscardView(m_d3dForegroundRenderTargetView.Get());
    }

    // Discard the contents of the depth stencil.
    m_d3dContext->DiscardView(m_d3dDepthStencilView.Get());

    // If the device was removed either by a disconnection or a driver upgrade, we
    // must recreate all device resources.
    if (hr == DXGI_ERROR_DEVICE_REMOVED)
    {
        HandleDeviceLost();
    }
    else
    {
        DX::ThrowIfFailed(hr);
    }
}

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