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Step 1 搭建一个简单的渲染框架

Step 1 搭建一个简单的渲染框架

万事开头难。从萌生到自己到处看源码手抄一个mini engine出来的想法,到真正敲键盘去抄,转眼过去了很久的时间。这次大概的确是抱着认真的想法,打开VS从零开始抄代码。不知道能坚持多久呢。。。

本次的主题是搭一个简单的渲染框架。这里我们先假定要使用的底层图形API为DX12,当然代码设计上渲染和API层面肯定是要解耦的,如果有一天去抄OpenGL或是Vulcan的代码的时候,总不可能要重写已有的逻辑。另外,由于DX12的初始化逻辑中需要HWND类型的窗口句柄,所以这里也就需要引入原生的Windows API来绘制窗口了。当然同样的道理,窗口系统与绘制的API也没有什么耦合关系。

那么先从Main函数写起,它是最简单的,只做初始化和运行两件事情:

int main()
{EngineLoop loop(hInstance);if (!loop.Initialize())return 0;return loop.Run();
}

EngineLoop类里目前包含我们这里需要的窗口系统和图形系统。初始化的逻辑是有顺序的,这里我们先初始化窗口系统,再初始化图形系统:

bool EngineLoop::Initialize()
{m_pWindowSystem = MakeShared<WindowSystem>();if (!m_pWindowSystem->Initialize(windowSystemCfg)){return false;}m_pGraphicsSystem = MakeShared<GraphicsSystem>();if (!m_pGraphicsSystem->Initialize(graphicsSystemCfg)){return false;}return true;
}

我们用智能指针shared_ptr管理这些System。这样它们的生命周期就和EngineLoop保持一致,不用担心析构的时候忘记释放它们。

为了把创建绘制窗口的API与窗口本身的逻辑分开,窗口系统持有一个LowLevelWindow抽象类的指针。通过这个指针去真正地创建窗口,绘制窗口,以及响应窗口的事件等等:

bool WindowSystem::Initialize(const WindowSystemCfg& cfg)
{m_pWindow = MakeShared<WindowsAPIWindow>();if (!m_pWindow->Initialize(windowCfg)){return false;}return true;
}

同样图形系统也是,我们使用RHI抽象类的指针来真正跟图形硬件打交道:

bool GraphicsSystem::Initialize(const GraphicsSystemCfg& cfg)
{m_pRHI = MakeShared<D3D12RHI>();if (!m_pRHI->Initialize(rhiCfg)){return false;}return true;
}

对于DX12来说,那么就有一个D3D12RHI的子类啦。目前我们先不考虑渲染任何东西,只是把初始化的工作做掉,那需要哪些东西呢?

首先IDXGIFactory和ID3D12Device这两货肯定是需要的,如果没有它们,整个初始化逻辑就没法跑;IDXGISwapChain也是必要的,不然连back buffer都没有;然后我们需要使用绘制指令来进行各种底层操作,那就需要ID3D12CommandQueue,ID3D12CommandAllocator和ID3D12GraphicsCommandList这三剑客了。ID3D12CommandQueue是指令的执行者,它可以包含多个command list;command allocator是存储指令的数据结构,command list里记录的指令实际上是保存到这里。另外,由于GPU指令的执行对CPU来说是异步的,因此还需要一个ID3D12Fence用于同步。我们使用ComPtr来管理这些类,ComPtr对象当引用计数为0时,会自动调用Release接口,从而避免内存泄漏。

class D3D12RHI : public RHI
{
private:ComPtr<ID3D12Device> m_pDevice;ComPtr<IDXGIFactory4> m_pDxGiFactory;ComPtr<ID3D12Fence> m_pFence;ComPtr<ID3D12CommandQueue> m_pCommandQueue;ComPtr<ID3D12CommandAllocator> m_pDirectCmdListAlloc;ComPtr<ID3D12GraphicsCommandList> m_pCommandList;ComPtr<IDXGISwapChain> m_pSwapChain;
};

DX12的资源和view是分开的,一个资源可以对应多种view,这里的view以D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE来区分。一个资源每使用一个view,就需要往ID3D12DescriptorHeap申请一个空闲的handle。那么我们可以把这个过程抽象一下,封装一个D3D12DescriptorHeap类,它负责分配空闲的handle给申请者:

class D3D12DescriptorHeap
{
public:D3D12DescriptorHeap(ID3D12Device* pDevice, D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE type, UInt32 numDescriptors);void Initialize();D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE Allocate();private:ID3D12Device* m_pDevice = nullptr;D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE m_type;UInt32 m_numDescriptors = 0;UInt32 m_descriptorSize = 0;UInt32 m_remainingFreeHandles;CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE m_cpuHandle;ComPtr<ID3D12DescriptorHeap> m_pDescriptorHeap;
};

初始化过程中我们需要创建若干back buffer和一个depth buffer,这两个buffer的创建方式有区别,但它们本质上都属于资源,因此给它们各自一个类,然后共同继承D3D12Resource这个类,这个类包含一些对资源的通用操作。

class D3D12Resource : public D3D12RHIChild
{
public:D3D12Resource(D3D12RHI* pRHI) : D3D12RHIChild(pRHI), m_state(D3D12_RESOURCE_STATE_COMMON) {}void SetState(D3D12_RESOURCE_STATES state);protected:D3D12_RESOURCE_STATES m_state;ComPtr<ID3D12Resource> m_pResource;
};class D3D12BackBuffer : public D3D12Resource
{
public:D3D12BackBuffer(D3D12RHI* pRHI) : D3D12Resource(pRHI), m_rtvHandle() {}void Initialize(Int32 index);void Clear(const Color& color);D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE GetRtvHandle() const { return m_rtvHandle; }
private:D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE m_rtvHandle;
};class D3D12DepthBuffer : public D3D12Resource
{
public:D3D12DepthBuffer(D3D12RHI* pRHI) : D3D12Resource(pRHI), m_dsvHandle() {}void Initialize(Int32 clientWidth, Int32 clientHeight, DXGI_FORMAT format);void Clear(D3D12_CLEAR_FLAGS clearFlags, Float depth, UInt8 stencil);D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE GetDsvHandle() const { return m_dsvHandle; }private:D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE m_dsvHandle;
};

初始化流程完毕之后,我们就要准备update了。现阶段我们啥也不做,就准备一下渲染环境吧。我们在RHI类中添加了PrepareRender和FinishRender两个抽象接口,分别表示准备渲染以及完成渲染提交显示的逻辑。对于DX12来说,在渲染前/后要准备哪些事情呢?

渲染前,首先是清空command,让command相关的数据结构保证可用;然后获取当前要渲染的back buffer,设置其状态为D3D12_RESOURCE_STATE_RENDER_TARGET;然后对back buffer和depth buffer执行clear操作,最后提交给硬件。在渲染结束之后,同样我们要把当前back buffer的状态切回渲染前的,如果是多缓冲要切到下一个可用的back buffer,执行掉中间产生的所有渲染指令,显示到屏幕上。

自此,一个最简单的渲染框架就搭好了,运行起来也就是一个填充满clear color的窗口,并没有什么稀奇,然而背后的代码量却有数百行了。

在这里插入图片描述

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