Двадцать лет спустя. Эволюция API Microsoft DirectX

21 января компания Microsoft официально объявила о том, что осенью 2015 года состоится релиз новой операционной системы Windows 10. А вместе с ней и запуск 12-го поколения DirectX. С момента появления этого API прошло уже почти двадцать лет, поэтому в этот раз мы решили оглянуться назад и вспомнить, как создавалась и развивалась программная оболочка для компьютерной графики на протяжении этого длинного отрезка. Сегодня DirectX, разрабатываемый компанией Microsoft, уже воспринимается как должное. Все привыкли, что этот API является неотъемлемой частью Windows. Новая итерация «оси» под номером 10 не стала исключением. Еще осенью прошлого года Microsoft анонсировала двенадцатое поколение DirectX. Этому событию предшествовало пять лет почти полной тишины из стана Microsoft. Компания ограничивалась лишь плановыми обновлениями API, и никакой определенности насчет будущего DirectX не было. Масла в огонь подливало и то, что многие компании-разработчики в открытую поддерживали конкурирующую технологию OpenGL. В их число входила, например, компания Valve. Вдобавок ко всему, компания AMD представила свой низкоуровневый программный интерфейс Mantle, который должен был составить конкуренцию как OpenGL, так и DirectX. К счастью, Microsoft не вышла из игры, и все это время разработчики компании упорно трудились над созданием DirectX 12, который станет частью анонсированной в январе операционной системы Windows 10. Релиз «десятки» запланирован на ближайшую осень, а это значит, что уже в конце 2015 (либо в начале 2016) мы увидим первые игры, поддерживающие новый API.Чтобы немного скрасить время ожидания, мы предлагаем вам вспомнить, как создавался и развивался DirectX на протяжении последних 20 лет. С чего все начиналось. DirectX 1.0 История появления DirectX берет свое начало в первой половине 1990-х годов, когда компания Microsoft занималась разработкой операционной системы Windows 95, которая должна была прийти на смену MS-DOS. Главным преимуществом MS-DOS было то, что она пользовалась популярностью у разработчиков игр. По мнению трех программистов Microsoft — Крэйга Эйслера (Craig Eisler), Алекса Сен-Джона (Alex St. John) и Эрика Энгстрома (Erik Engstrom) — даже после выхода Windows 95 многие разработчики могли отдать предпочтение MS-DOS как более подходящей для создания игр платформе. Чем же «дос» так нравился программистам? Все дело в том, что, программируя под MS-DOS, разработчики обращались напрямую к железу, то есть имели прямой доступ к видеокарте, клавиатуре, мыши, звуковым устройствам и другим частям системы. Подобный подход использовался в программировании под консоли, однако создание игр для компьютера осложнялось тем, что, в отличие от приставок, здесь не было фиксированной конфигурации системы. Это приходилось учитывать при написании кода, что значительно усложняло жизнь девелоперам.Источник изображения Так или иначе, но обращаться напрямую к аппаратной части компьютера в Windows 95 стало невозможно. Причиной этого была новая защищенная модель памяти, которая запретила прямой доступ к устройствам. Шел 1994 год, Windows 95 была на подходе, и Microsoft требовалось быстрое и эффективное решение возникшей проблемы. Им стал API DirectX, за создание которого отвечали как раз Эйслер, Сен-Джон и Энгстром. Релиз DirectX версии 1.0 состоялся 30 сентября 1995 года под названием Windows Games SDK. Первая итерация DirectX была очень упрощена относительно своих будущих версий. Она поддерживала вывод двухмерной графики, звуков, а также обрабатывала данные, поступающие с различных манипуляторов.Источник изображения Разработчики игр встретили DirectX довольно прохладно. Во-первых, они не были уверены, что Microsoft будет поддерживать API на протяжении долгого времени. Недоверие к Microsoft возросло после того, как компания свернула поддержку API WinG, который рассматривался как один из «помощников» в портировании игр с DOS на Windows. Во-вторых, «девяносто пятая» была требовательней к аппаратной части, из-за чего производительность в играх, как правило, снижалась в сравнении с MS-DOS. Ну и в-третьих — у DOS было огромное количество энтузиастов, которые ни в какую не хотели программировать под Windows. Стоит сказать, что к моменту появления DirectX разработчикам игр уже был доступен API OpenGL, разработанный компанией Silicon Graphics Inc и представленный в 1992 году. Но в Microsoft решили пойти своим путем. В дальнейшем противостояние DirectX и OpenGL было похоже на битву Давида против Голиафа. Microsoft, прежде всего, брала своей финансовой мощью, а Silicon Graphics — репутацией и техническим опытом. Так, выбор в пользу OpenGL тогда сделал создатель Doom и Quake Джон Кармак (John Carmack). Он считал, что программный код DirectX слишком сложный для программирования, и поэтому в открытую поддерживал более «дружелюбный» интерфейс OpenGL. Конечно же, на планы Microsoft это никак не повлияло, но прохладная встреча DirectX со стороны разработчиков ясно дала понять, что работы у инженеров компании целый непочатый край.Источник изображения В роли догоняющего. DirectX 2.0 и далее Следующее поколение API DirectX было представлено в середине 1996 года. Наконец-то в состав программного интерфейса были включены пакеты Direct3D и DirectPlay. С тех пор API состоял из следующих компонентов: DirectDraw. Использовался для отрисовки двухмерной графики. Direct3D (D3D). Использовался для отрисовки трехмерной картинки. DirectPlay. Представлял собой сетевой программный интерфейс. DirectInput. Использовался для обработки данных, поступающих с различных манипуляторов. DirectX Media. Представлял собой набор API для работы с мультимедиа. DirectMusic. Использовался для проигрывания музыки. DirectSound. Использовался для записи и воспроизведения звука. DirectSound3D. Предназначен для работы с пространственным звуком. DirectX Media Objects. Потоковые объекты, такие как энкодеры, декодеры и эффекты. DirectSetup. Отвечал за установку всех компонентов DirectX. DirectX 2.0 предназначался для операционных систем Windows 95 и Windows NT 4.0. С момента выпуска первой ОС прошло совсем мало времени, поэтому для этой версии было выпущено очень мало игр. Microsoft воспользовалась моментом и начала активно продвигать API среди разработчиков. Ради этого во время конференции GDC в 1996 году Microsoft даже устроила специальное мероприятие, где представила некоторые новые возможности DirectX. Вскоре после появления второго поколения API свет увидел и DirectX 3.0. Это случилось в сентябре 1996 года. Ближе к концу года были представлены дополнения в виде версий 3.0a и 3.0b. В сравнении со второй итерацией API третье поколения получило лишь незначительные изменения, которые так и не смогли повлиять на положение DirectX среди девелоперов.Источник изображения Немного исправить ситуацию получилось у DirectX 5.0, который появился в августе 1997 года. А что же случилось с четвертым поколением? Дело в том, что разработка 4-й и 5-й итераций API началась одновременно. DirectX 4.0 рассматривался как решение на самое ближайшее время. Оно не должно было привнести каких-либо кардинальных изменений в сравнении с версией 3.0 — только несколько новых «фич». В то же время пятая версия разрабатывалась с прицелом на перспективу. Однако разработчики не проявили интереса к новым возможностям DirectX 4.0, Microsoft свернула проект. Во избежание путаницы было решено пропустить версию 4.0 и сразу выпустить DirectX 5.0. Главным достоинством пятой итерации DirectX стал намного упрощенный код. Писать программы с помощью API стало легче, и DirectX уже не вызывал у девелоперов такой неприязни, как поначалу. Главным же недостатком пятой «директрисы» было отсутствие поддержки технологии мультитекстурирования (multitexturing). Суть этой технологии заключается в наложении на грань сразу нескольких текстур за один проход. Но тут Microsoft улыбнулась удача. В то время алгоритмы мультитекстурирования были не столь эффективны, а железо — недостаточно производительным для того, чтобы применять технологию без ущерба для производительности. Чаще всего вместо нее разработчики использовали обычные многократные проходы, во время каждого из которых на грань накладывалась только одна текстура. Для девелоперов было важно, чтобы новые игры запускались и на старых машинах, поэтому в большинстве приложений мультитекстурирование не использовалось. Microsoft от этого лишь выиграла.Источник изображения Главный недостаток DirectX 5.0 был исправлен уже в следующем поколении API под логичным номером 6. Эта итерация DirectX появилась в августе 1998 года и вновь получила улучшения в области создания программ — код стал еще проще и еще понятнее. Также DirectX 6.0 мог похвастаться поддержкой мультитекстурирования. Но исправившись, Microsoft допустила очередную ошибку — новый API не поддерживал на аппаратном уровне технологию T&L (Transform and Lightning), которая предназначалась для обработки освещения и трансформации объектов в реальном времени. Как показало время, у Microsoft был еще год в запасе для реализации поддержки T&L. GeForce 256, первая видеокарта с движком T&L, появилась только в 1999 году. Кстати, начиная с этой версии, DirectX стал своего рода мультиплатформенным продуктом. Microsoft пыталась продвинуть свою операционную систему Windows CE для консолей и вместе с «осью» поставляла специальную версию DirectX 6. Однако эксперимент, скажем прямо, не удался.Источник изображения DirectX 7.0 был выпущен в сентябре 1999 года и исправил главный недостаток своего предшественника, получив поддержку технологии T&L на аппаратном уровне. Кроме этого, в рамках DirectX 7.0 Microsoft представила новый формат текстур с расширением .dds. Плюс новая версия API умела выделять вершинные буферы в видеопамяти. Это было первое существенное преимущество DirectX над OpenGL за все время существования API. И что важно, Microsoft продолжала гнуть свою линию по развитию мультитекстурирования. В этой области DirectX 7.0 также получил несколько новшеств, но написание кода для использования мультитекстурирования все еще было очень и очень непростой задачей даже для опытных девелоперов.Источник изображения Великий перелом. DirectX 8.0 и 9.0 2001 год стал, пожалуй, переломным в истории развития DirectX. На протяжении предыдущих шести лет Microsoft находилась в роли догоняющих. И дело было даже не в конкуренции с OpenGL, за которым развитие DirectX худо-бедно успевало, а в седьмой итерации в чем-то даже и превзошло. DirectX сам по себе догонял всю индустрию. Microsoft создавала каждую версию API с оглядкой на архитектуру новейших видеокарт. В таком положении трудно было сделать по-настоящему большой шаг вперед и вырваться в лидеры. И это не устраивало компанию. Поэтому Microsoft наладила сотрудничество с NVIDIA, и DirectX 8.0 появился почти одновременно с видеокартами GeForce 3. В восьмом поколении архитектура API претерпела значительные изменения и стала больше отличаться от таковой в OpenGL. В DirectX 8.0 появились пиксельные и вершинные шейдеры, что облегчило программистам создание различных спецэффектов. Сами шейдеры представляют собой подпрограммы, которые загружаются в видеокарту наравне с другими данными сцены. Затем драйвер преобразует эти подпрограммы в инструкции, понятные видеочипу. Кроме вершинных и пиксельных шейдеров, DirectX 8.0 мог похвастаться поддержкой тумана и таких технологий, как bump-mapping и texture-mapping (мультитекстурирование). Помимо этого, Microsoft выделила компоненту DirectDraw, отвечающую за отрисовку двухмерной графики, в отдельный API. Также DirectX 8.0 все еще считался неудобным в использовании, но Microsoft постаралась исправить это в обновлении с индексом 8.1.Источник изображения Как итог, программисты наконец-то увидели перспективу в DirectX. Многие посчитали, что API от Microsoft на самом деле может стать будущим геймдева. Почему? Все потому, что программировать с помощью DirectX можно было с помощью обычного компьютера, в то время как для девелопмента под OpenGL необходима была рабочая станция. Вслед за NVIDIA свой взор на DirectX перенесла и ATI. С выходом версии 8.1 API от Microsoft стал по-настоящему мультиплатформенным. Это произошло благодаря выходу первого поколения игровой консоли Xbox. Девелоперы получили специальный набор инструментов для платформ PC и Xbox, который значительно облегчил жизнь кроссплатформенным разработчикам. Конечно, была и обратная сторона медали: игрушки, написанные под Xbox и затем портированные на ПК, были зачастую неиграбельны из-за плохого управления. С появлением DirectX 9.0 Microsoft лишь упрочила свои лидирующие позиции. Большинство разработчиков приняли девятое поколение API с распростертыми объятиями, а NVIDIA и ATI сконцентрировались на доработке драйверов для лучшей производительности рендеринга DirectX-приложений.Источник изображения Что касается технологических новшеств, то девятая итерация DirectX получила поддержку шейдерного языка высокого уровня HLSL (High Level Shader Language). Он не являлся обязательным, поэтому программисты могли самостоятельно писать низкоуровневый код для достижения максимальной производительности. Сами же пиксельные и вершинные шейдеры были обновлены до версии 2.0. Кроме этого, DirectX 9.0 получил поддержку технологии Multiple Render Targets (MRT), которая обеспечила одновременный рендеринг сразу в несколько цветовых буферов, а не в один, как было раньше. Также была добавлена поддержка технологии MET (Multiple-Element Textures) и стенсил-буфера (Stencil-buffer), который использовался при создании таких спецэффектов, как тени и отражения. После выпуска девятой версии Microsoft не слишком торопилась с разработкой следующего поколения API. Если раньше каждая новая итерация DirectX выходила практически ежегодно, то теперь компания сделала ставку на плановые обновления. Поэтому в течение двух следующих лет свет увидели лишь дополнения DirectX 9.0 с литерами a, b и c. Основными их улучшениями были обновленные пиксельные и вершинные шейдеры. Так, DirectX 9.0a/b поддерживали Shader Model 2.0a/b соответственно, а самое крупное обновление — DirectX 9.0c — могло похвастаться не только Shader Model версии 3.0, но и поддержкой игровой консоли нового поколения Xbox 360.Источник изображения Удивительно, но DirectX 9.0c смог задержаться в компьютерах надолго. Виной всему — просчет Microsoft при выходе DirectX 10. Неверный ход. DirectX 10 Следующее поколение DirectX было выпущено в ноябре 2006 года. Новый API поставлялся вместе с операционной системой Windows Vista, которая появилась в том же месяце. Состав DirectX претерпел некоторые изменения. Несколько компонентов были заменены. Так, DirectInput, отвечающий за обработку данных, поступающих с манипуляторов, уступил место пакету XInput, а DirectSound был упразднен в пользу системы Cross-Platform Audio Creation Tool (XACT), которая лишилась аппаратного ускорения аудио, поскольку рендеринг аудио в Windows Vista осуществлялся непосредственно на CPU. Что касается нововведений, которые получил DirectX 10, в первую очередь нужно отметить новую версию шейдеров Shader Model 4.0, которая получила новые целочисленные инструкции и битовые операции. Кроме этого, добавилась поддержка дополнительных шейдеров, что позволило генерировать сложную геометрию полностью с помощью видеокарты. Подвергся изменениям и шейдерный компилятор HLSL, также получивший версию 4.0. Для улучшения производительности API было снижено число обрабатываемых команд на кадр, а также уменьшено время вызова функций. Был реализован и потоковый ввод/вывод, который позволил записывать результат работы вершинных и геометрических шейдеров напрямую в память.Главным просчетом Microsoft было то, что DirectX 10 работал исключительно в операционной системе Windows Vista, вместе с которой он и был выпущен. Если раньше API Microsoft имел обратную совместимость с предыдущими версиями Windows, то теперь он был ее лишен. В итоге большинство игр разрабатывались в первую очередь с прицелом на DirectX 9.0c и операционную систему Windows XP, а поддержка DirectX 10 была лишь бонусом. По такому принципу разрабатывались, например, шутер Hellgate: London или стратегия Company of Heroes. Свою роль в провале DirectX 10 сыграло и то, что сама Windows Vista оказалась, пожалуй, самой неудачной «осью» в истории Windows. В 2008 году Microsoft анонсировала обновление с индексом 10.1, которое стало доступно вместе с выходом Windows Vista SP1. Несмотря на то что DirectX 10.1 был всего лишь небольшим дополнением к API с индексом 10, он не поддерживался выпущенным на тот момент железом. Для DirectX 10.1 были необходимы новые видеокарты, которые, в свою очередь, сохраняли обратную совместимость с DirectX 10. В обновленном API были улучшены некоторые «фичи». Например, была обновлена шейдерная модель до версии 4.1, стали доступны независимые режимы блендинга для MRT и массивы кубических карт (cube map arrays). А несколько опциональных возможностей DirectX 10 стали обязательными в версии 10.1: например, 32-битная фильтрация и MSAA как минимум с четырьмя выборками (4x MSAA).Работа над ошибками. DirectX 11 Выхода следующей версии API пришлось ждать почти два года. DirectX 11 был анонсирован еще на выставке Gamefest в 2008 году, но официальный релиз состоялся осенью 2009 года вместе с операционной системой Windows 7. Microsoft усвоила урок десятой версии API, поэтому 11-я итерация работала как с новой Windows 7, так и с Windows Vista. Что касается новых возможностей, то в DirectX 11 в очередной раз была обновлена шейдерная модель, теперь до версии 5.0. Кроме этого, была улучшена производительность API в системах с многоядерными центральными процессорами. Все предыдущие версии разрабатывались с прицелом на одноядерные CPU. В конце концов, это стало своего рода бутылочным горлышком в производительности DirectX. Также в конвейер был добавлен вычислительный шейдер (Compute Shader) для поддержки программирования под задачи общего назначения. К примеру, всем известное быстрое преобразование Фурье работает через DirectX 11 намного быстрее, чем с помощью ранее применявшихся методов. Разработчики Microsoft также уделили внимание сжатию текстур, поэтому алгоритмы были значительно улучшены. Кстати, максимальный размер текстур также был увеличен с 4К до 16К. Но самым большим нововведением DirectX 11 стала поддержка тесселяции и переработанный конвейер визуализации, который был дополнен тремя новыми стадиями: hull-шейдером, domain-шейдером и непосредственно стадией тесселяции. Суть тесселяции состоит в том, что по мере приближения низко детализированного объекта количество треугольников в его изображении экспоненциально увеличивается для получения более реалистичной и качественной картинки. Преимуществом метода является то, что среднее количество обрабатываемых треугольников всегда примерно одинаково, благодаря чему не происходят провалы в производительности. Особенно это актуально для игровых приставок, где изначально возможности железа ограничены.Новшества, которые получил DirectX 11.1, вышедший в августе 2012 года для операционной системы Windows 8, были больше ориентированы на разработчиков, нежели на геймеров. Были добавлены новые команды копирования, защита от переполнения буфера, проверка на поддержку функций DirectX 11.1 со стороны видеочипов, а также отслеживание вычислений в шейдере. Вдобавок ко всему, в API была добавлена поддержка стереоскопического рендеринга. То есть отныне все игры, написанные с использованием DirectX 11.1, по умолчанию поддерживали трехмерный режим. С выходом операционной системы Windows 8.1 DirectX также был обновлен до версии 11.2. Основными его улучшениями стали поддержка аппаратных оверлеев, компиляция и линковка шейдеров HLSL в рантайме, отображаемые в память буферы, API снижения задержек ввода и тайловые ресурсы. Среди этих возможностей, прежде всего, стоит выделить поддержку аппаратного оверлея. Он позволяет осуществлять рендер в буфер с низким разрешением, а затем увеличивать это изображение до необходимого размера и смешивать его с дополнительными буферами. Игра может отображать 3D-сцену в первом оверлее со сниженным качеством, но при этом другие графические элементы приложения могут отображаться с высоким качеством. К слову, оверлей может быть как статическим, так и динамическим. При статическом оверлее уровень масштабирования устанавливается при инициализации буфера и в дальнейшем не изменяется. В случае же использования динамического оверлея качество картинки может моментально изменяться без ущерба для производительности. В некоторых ситуациях это помогает избежать сильного падения производительности. DirectX 11.3 и 12 На сегодняшний день DirectX 11.2 является самой свежей версией API от Microsoft. Что же ждет нас в ближайшем будущем? На эту осень запланирован запуск операционной системы Windows 10, а вместе с ней и DirectX 12. Главным отличием нового API от всех его предшественников стало снижение уровня абстрагирования оборудования. DirectX 12 предоставит иную модель программирования. Как говорят в Microsoft, приближенную к железу (closer to the metal). Используя такую модель, разработчики получат более широкий доступ к различным возможностям графического чипа. Кроме этого, DirectX 12 теперь поддерживает объекты состояния конвейера (PSO, pipeline-state object) и таблицы дескрипторов. Наконец, API получил новые возможности для конвейера рендеринга, которые значительно увеличивают производительность в таких алгоритмах, как определение коллизий, расчет прозрачности или геометрическая отбраковка.Тестирование игры Forza Motorsport 5 на PC с DirectX 12. В системе была установлена видеокарта NVIDIA GeForce GTX Titan Black. Игра запускалась в разрешении 1080p и частотой кадров 60 fps Интересно то, что выход DirectX 12 не означает окончание жизненного цикла DirectX 11. Ближайшей осенью увидит свет еще одно дополнение под номером 11.3. При этом обновленный API позаимствует некоторые возможности у DirectX 12. Возникает вопрос: зачем Microsoft выпускать и поддерживать сразу два API? Ответ состоит в том, что двенадцатая итерация DirectX представляет собой низкоуровневую реализацию программного интерфейса. Для опытных девелоперов это, несомненно, большое преимущество, потому что такой подход позволит выжать максимум производительности и качества из «фишек» DirectX 12. С другой стороны, создавать приложения с помощью низкоуровневого API — задача не из простых. И многие программисты, в том числе и начинающие, предпочтут использовать более простую высокоуровневую модель DirectX 11.3. По этой причине Microsoft имеет смысл поддерживать развитие обоих API. По крайней мере, на первых порах. Заключение В сентябре нынешнего года DirectX исполнится ровно двадцать лет. За это время API прошел путь от уступающего конкурентам решения до роли ведущего программного интерфейса последнего десятилетия. Несмотря на локальные неудачи, Microsoft проделала огромный объем работы и напрямую повлияла на развитие геймдева и не только. Впереди нас ожидает инновационный DirectX 12, и будет очень интересно увидеть, какие новые графические возможности он сможет предложить.