將 OpenGL ES 2.0 緩衝區、統一和頂點屬性與 Direct3 進行比較

發行項
04/05/2024

重要 API

在從 OpenGL ES 2.0 移植到 Direct3D 11 的過程中，您必須變更在應用程式和著色器程式之間傳遞資料的語法和 API 行為。

在 OpenGL ES 2.0 中，資料會以四種方式來回傳遞至著色器程式：做為常數資料的統一，做為頂點資料的屬性，做為其他資源資料的緩衝區物件 (例如紋理)。在 Direct3D 11 中，這些大致對應至常數緩衝區、頂點緩衝區和子資源。儘管表面上的共通性，但它們的使用方式卻大不相同。

以下是基本對應：

OpenGL ES 2.0	Direct3D 11
uniform	常數緩衝區 (cbuffer) 欄位。
屬性	頂點緩衝區元素欄位，由輸入配置指定，並以特定的 HLSL 語意標示。
緩衝區物件	緩衝區；有關通用緩衝區定義，請參閱 D3D11_SUBRESOURCE_DATA 和 D3D11_BUFFER_DESC。
畫面緩衝區物件 (FBO)	轉譯目標；請參閱 ID3D11RenderTargetView 與 ID3D11Texture2D。
後端緩衝區	具有「後端緩衝區」表面的交換鏈結；請參閱附加 IDXGISurface1 的 IDXGISwapChain1。

移植緩衝區

在OpenGL ES 2.0中，建立和繫結任何類型的緩衝區的程式通常會遵循此模式

呼叫 glGenBuffers 以產生一或多個緩衝區，並將控制代碼傳回給它們。
呼叫 glBindBuffer 來定義緩衝區的配置，例如GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。
呼叫 glBufferData，以特定配置中的特定資料填入緩衝區 (例如頂點結構、索引資料或色彩資料)。

最常見的緩衝區類型是頂點緩衝區，其幾乎包含某些座標系統中頂點的位置。在一般使用中，頂點是由包含位置座標的結構、頂點位置的一般向量、頂點位置的正切向量，以及紋理查閱 (uv) 座標表示。緩衝區會依某種順序包含這些頂點的連續清單 (例如三角形清單、帶狀或扇形)，並共同代表場景中可見的多邊形。 (在 Direct3D 11 和 OpenGL ES 2.0 中，每個繪製呼叫有多個頂點緩衝區效率不佳。)

以下是使用 OpenGL ES 2.0 建立的頂點緩衝區和索引緩衝區範例：

OpenGL ES 2.0：建立和填入頂點緩衝區和索引緩衝區。

glGenBuffers(1, &renderer->vertexBuffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, renderer->vertexBuffer);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(Vertex) * CUBE_VERTICES, renderer->vertices, GL_STATIC_DRAW);

glGenBuffers(1, &renderer->indexBuffer);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, renderer->indexBuffer);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(int) * CUBE_INDICES, renderer->vertexIndices, GL_STATIC_DRAW);

其他緩衝區包括像素緩衝區和對應，例如紋理。著色器管線可以轉譯為紋理緩衝區 (pixmap) 或轉譯緩衝區物件，並在未來的著色器階段使用這些緩衝區。在最簡單的情況下，呼叫流程是：

呼叫 glGenFramebuffers 以產生畫面緩衝區物件。
呼叫 glBindFramebuffer 以繫結畫面緩衝區物件以進行寫入。
呼叫 glFramebufferTexture2D 以繪製到指定的紋理對應中。

在 Direct3D 11 中，緩衝區資料元素會被視為「子資源」，而且範圍可以從個別頂點資料元素到 MIP 對應紋理。

使用緩衝區資料元素的配置填入 D3D11_SUBRESOURCE_DATA 結構。
使用緩衝區中各個元素的大小以及緩衝區類型填入 D3D11_BUFFER_DESC 結構。
使用這兩個結構呼叫 ID3D11Device1::CreateBuffer。

Direct3D 11：建立和填入頂點緩衝區和索引緩衝區。

D3D11_SUBRESOURCE_DATA vertexBufferData = {0};
vertexBufferData.pSysMem = cubeVertices;
vertexBufferData.SysMemPitch = 0;
vertexBufferData.SysMemSlicePitch = 0;
CD3D11_BUFFER_DESC vertexBufferDesc(sizeof(cubeVertices), D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER);

m_d3dDevice->CreateBuffer(
  &vertexBufferDesc,
  &vertexBufferData,
  &m_vertexBuffer);

m_indexCount = ARRAYSIZE(cubeIndices);

D3D11_SUBRESOURCE_DATA indexBufferData = {0};
indexBufferData.pSysMem = cubeIndices;
indexBufferData.SysMemPitch = 0;
indexBufferData.SysMemSlicePitch = 0;
CD3D11_BUFFER_DESC indexBufferDesc(sizeof(cubeIndices), D3D11_BIND_INDEX_BUFFER);

m_d3dDevice->CreateBuffer(
  &indexBufferDesc,
  &indexBufferData,
  &m_indexBuffer);

可寫入像素緩衝區或對應 (例如畫面緩衝區) 可以建立為 ID3D11Texture2D 物件。這些可以做為資源繫結到 ID3D11RenderTargetView 或 ID3D11ShaderResourceView，一旦繪製到其中，就可以分別與關聯的交換鏈結一起顯示或傳遞給著色器。

Direct3D 11：建立畫面緩衝區物件。

ComPtr<ID3D11RenderTargetView> m_d3dRenderTargetViewWin;
// ...
ComPtr<ID3D11Texture2D> frameBuffer;

m_swapChainCoreWindow->GetBuffer(0, IID_PPV_ARGS(&frameBuffer));
m_d3dDevice->CreateRenderTargetView(
  frameBuffer.Get(),
  nullptr,
  &m_d3dRenderTargetViewWin);

將統一和統一緩衝區物件變更為 Direct3D 常數緩衝區

在 Open GL ES 2.0 中，統一是將常數資料提供給個別著色器程序的機制。著色器無法改變此資料。

設定統一通常牽涉到提供 GPU 中上傳位置的其中一個 glUniform* 方法，以及應用程式記憶體中資料的指標。執行 glUniform* 方法之後，統一資料會位於 GPU 記憶體中，並由宣告該統一的著色器存取。您預期會確保資料會以著色器中的統一宣告 (使用相容類型) 為基礎來解釋資料。

OpenGL ES 2.0 建立統一並上傳資料

renderer->mvpLoc = glGetUniformLocation(renderer->programObject, "u_mvpMatrix");

// ...

glUniformMatrix4fv(renderer->mvpLoc, 1, GL_FALSE, (GLfloat*) &renderer->mvpMatrix.m[0][0]);

在著色器的 GLSL 中，對應的統一宣告看起來像這樣：

開啟 GL ES 2.0：GLSL 統一宣告

uniform mat4 u_mvpMatrix;

Direct3D 會將統一資料指定為「常數緩衝區」，例如統一，包含提供給個別著色器的常數資料。如同統一緩衝區，請務必將常數緩衝區資料封裝在記憶體中，與著色器預期解釋它的方式相同。使用 DirectXMath 類型 (例如 XMFLOAT4) 而不是平台類型 (例如float* 或 float[4]) 可確保正確的資料元素對齊。

常數緩衝區必須有相關聯的 GPU 暫存器，用來參考 GPU 上的該資料。資料會封裝到暫存器位置，如緩衝區的配置所指示。

Direct3D 11：建立常數緩衝區並將資料上傳至該緩衝區

struct ModelViewProjectionConstantBuffer
{
     DirectX::XMFLOAT4X4 mvp;
};

// ...

ModelViewProjectionConstantBuffer   m_constantBufferData;

// ...

XMStoreFloat4x4(&m_constantBufferData.mvp, mvpMatrix);

CD3D11_BUFFER_DESC constantBufferDesc(sizeof(ModelViewProjectionConstantBuffer), D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER);
m_d3dDevice->CreateBuffer(
  &constantBufferDesc,
  nullptr,
  &m_constantBuffer);

在著色器的 HLSL 中，對應的常數緩衝區宣告看起來像這樣：

Direct3D 11：常量緩衝區 HLSL 宣告

cbuffer ModelViewProjectionConstantBuffer : register(b0)
{
  matrix mvp;
};

請注意，每個常數緩衝區都必須宣告暫存器。不同的 Direct3D 功能層級具有不同的可用暫存器上限，因此請勿超過您所設定的最低功能層級數目上限。

將頂點屬性移植到 Direct3D 輸入配置和 HLSL 語意

由於著色器管線可以修改頂點資料，因此 OpenGL ES 2.0 會要求您將其指定為「屬性」，而不是「統一」。 (這在更新版本的 OpenGL 和 GLSL 中有所變更。) 頂點特定資料，例如頂點位置、法線、正切值和色彩值，會以屬性值的形式提供給著色器。這些屬性值會對應至頂點資料中每個元素的特定位移；例如，第一個屬性可以指向個別頂點的位置元件，而第二個屬性則指向一般等。

將頂點緩衝區資料從主要記憶體移至 GPU 的基本程序如下所示：

使用 glBindBuffer 上傳頂點資料。
使用 glGetAttribLocation 取得 GPU 上屬性的位置。針對頂點資料元素中的每個屬性呼叫它。
呼叫 glVertexAttribPointer 以提供在個別頂點資料元素內設定正確的屬性大小和位移。針對每個屬性執行此動作。
使用 glEnableVertexAttribArray 啟用頂點資料配置資訊。

OpenGL ES 2.0：將頂點緩衝區資料上傳至著色器屬性

glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, renderer->vertexBuffer);
loc = glGetAttribLocation(renderer->programObject, "a_position");

glVertexAttribPointer(loc, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 
  sizeof(Vertex), 0);
loc = glGetAttribLocation(renderer->programObject, "a_color");
glEnableVertexAttribArray(loc);

glVertexAttribPointer(loc, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 
  sizeof(Vertex), (GLvoid*) (sizeof(float) * 3));
glEnableVertexAttribArray(loc);

現在，在頂點著色器中，您會使用您在 glGetAttribLocation 呼叫中定義的相同名稱來宣告屬性。

OpenGL ES 2.0：在 GLSL 中宣告屬性

attribute vec4 a_position;
attribute vec4 a_color;

在某些方面，Direct3D 的相同程式會保留。頂點數據不是屬性，而是在輸入緩衝區中提供，其中包含頂點緩衝區和對應的索引緩衝區。但是，由於 Direct3D 沒有「屬性」宣告，因此您必須指定輸入配置，該配置宣告頂點緩衝區中資料元素的各個元件，以及指示頂點著色器在何處以及如何解釋這些元件的 HLSL 語意。 HLSL 語意需要您使用特定字串來定義每個元件的使用方式，以通知著色器引擎的用途。例如，頂點位置資料會標示為 POSITION、一般資料標示為 NORMAL，而頂點色彩資料則會標示為 COLOR。 (其他著色器階段也需要特定的語意，並且這些語意根據著色器階段有不同的解釋。) 有關 HLSL 語意的詳細資訊，請閱讀移植著色器管線和 HLSL 語意。

總的來說，設定頂點和索引緩衝區以及設定輸入配置的程序稱為 Direct3D 圖形管道的「輸入組件」(IA) 階段。

Direct3D 11：設定輸入組件階段

// Set up the IA stage corresponding to the current draw operation.
UINT stride = sizeof(VertexPositionColor);
UINT offset = 0;
m_d3dContext->IASetVertexBuffers(
        0,
        1,
        m_vertexBuffer.GetAddressOf(),
        &stride,
        &offset);

m_d3dContext->IASetIndexBuffer(
        m_indexBuffer.Get(),
        DXGI_FORMAT_R16_UINT,
        0);

m_d3dContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
m_d3dContext->IASetInputLayout(m_inputLayout.Get());

藉由宣告頂點資料元素的格式和用於每個元件的語意，來宣告輸入配置並與頂點著色器相關聯。您所建立之 D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC 中所述的頂點元素資料配置，必須對應至對應結構的版面配置。您在此會為具有兩個元件的頂點資料建立配置：

頂點位置座標，以 XMFLOAT3 表示在主要記憶體中，這是 (x，y，z) 座標 3 32 位元浮點值的對齊陣列。
頂點色彩值，以 XMFLOAT4 表示，這是色彩 4 32 位浮點值的對齊陣列 (RGBA)。

您可以為每個語意指派語意，以及格式類型。然後將描述傳遞至 ID3D11Device1::CreateInputLayout。當我們在轉譯方法期間設定輸入組件時呼叫 ID3D11DeviceContext1::IASetInputLayout 時，將使用輸入配置。

Direct3D 11：使用特定語意描述輸入配置

ComPtr<ID3D11InputLayout> m_inputLayout;

// ...

const D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC vertexDesc[] = 
{
  { "POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0,  D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
  { "COLOR",    0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 12, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
};

m_d3dDevice->CreateInputLayout(
  vertexDesc,
  ARRAYSIZE(vertexDesc),
  fileData->Data,
  fileData->Length,
  &m_inputLayout);

// ...
// When we start the drawing process...

m_d3dContext->IASetInputLayout(m_inputLayout.Get());

最後，您可以藉由宣告輸入，確定著色器可以瞭解輸入資料。您在配置中指派的語意可用來選取 GPU 記憶體中的正確位置。

Direct3D 11：使用 HLSL 語意宣告著色器輸入資料

struct VertexShaderInput
{
  float3 pos : POSITION;
  float3 color : COLOR;
};

共用方式為

將 OpenGL ES 2.0 緩衝區、統一和頂點屬性與 Direct3 進行比較

移植緩衝區

將統一和統一緩衝區物件變更為 Direct3D 常數緩衝區

將頂點屬性移植到 Direct3D 輸入配置和 HLSL 語意

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