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DirectX 11

Device와 Swap Chain부터 리소스, 셰이더, 파이프라인 상태, 좌표 변환, 성능과 디버깅까지 Direct3D 11의 핵심 표면을 정리합니다.

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시작과 핵심 객체

Direct3D 11 한 프레임 흐름

Windows 창에 Direct3D 11 장면을 표시하기 위해 장치 생성부터 상태 연결, Draw, Present까지 거치는 최소 프레임 흐름을 정리합니다.

create Device + immediate Context + Swap Chain
-> get Back Buffer and create RTV
-> create buffers, shaders, layouts, states
-> bind render target + viewport + pipeline inputs
-> ClearRenderTargetView / ClearDepthStencilView
-> Draw or DrawIndexed
-> IDXGISwapChain::Present

Device·Context·Swap Chain 역할

리소스를 만드는 Device, 파이프라인 상태와 명령을 다루는 Context, 표시용 버퍼를 관리하는 Swap Chain의 책임을 구분합니다.

ID3D11Device        -> CreateBuffer, CreateTexture2D, Create*Shader, Create*State
ID3D11DeviceContext -> *Set* bindings, Update/Map, Clear, Draw, Dispatch
IDXGISwapChain      -> display buffers, Present, ResizeBuffers, fullscreen state

Device 생성과 Feature Level

D3D11CreateDevice 계열의 driver type, 생성 flag, feature level 협상과 debug build fallback을 정리합니다.

constexpr D3D_FEATURE_LEVEL requested[] = {
    D3D_FEATURE_LEVEL_11_1,
    D3D_FEATURE_LEVEL_11_0,
};

UINT flags = D3D11_CREATE_DEVICE_BGRA_SUPPORT;
#if defined(_DEBUG)
flags |= D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG;
#endif

Debug Layer와 Info Queue 사용

Direct3D 11 Debug Layer를 켜고 ID3D11InfoQueue의 오류·경고를 binding, resource hazard, lifetime 문제의 첫 진단으로 사용하는 방법을 정리합니다.

create Device with D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG
-> QueryInterface<ID3D11InfoQueue>
-> break on CORRUPTION and ERROR
-> run the failing frame
-> read the first relevant message
-> fix cause before suppressing message

HRESULT·COM·ComPtr 수명 관리

Direct3D 11 COM 객체의 참조 수명, HRESULT 실패 검사, WRL ComPtr의 Get·GetAddressOf·ReleaseAndGetAddressOf 사용 경계를 정리합니다.

struct Vertex { float position[3]; };
const Vertex vertices[] = {
    {{ 0.0f,  0.5f, 0.0f}},
    {{ 0.5f, -0.5f, 0.0f}},
    {{-0.5f, -0.5f, 0.0f}},
};

D3D11_BUFFER_DESC desc{};
desc.ByteWidth = sizeof(vertices);
desc.Usage = D3D11_USAGE_IMMUTABLE;
desc.BindFlags = D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER;

D3D11_SUBRESOURCE_DATA initialData{};
initialData.pSysMem = vertices;

Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D11Buffer> buffer;
HRESULT hr = device->CreateBuffer(&desc, &initialData, buffer.GetAddressOf());
if (FAILED(hr)) throw std::system_error(hr, std::system_category(), "CreateBuffer");

UINT stride = sizeof(Vertex);
UINT offset = 0;
context->IASetVertexBuffers(0, 1, buffer.GetAddressOf(), &stride, &offset);

Immediate와 Deferred Context 선택

GPU 명령을 driver에 제출하는 immediate context와 command list를 기록하는 deferred context를 threading·상태·재생 비용 기준으로 비교합니다.

Swap Chain Buffering과 Present

Back buffer 수, flip model, sync interval, tearing flag가 표시 지연·화면 찢김·프레임 pacing에 미치는 영향을 정리합니다.

syncInterval = 1 -> vertical blank에 맞춰 표시, tearing 억제, 대기 가능
syncInterval = 0 -> VSync 대기 없음, tearing은 네 조건을 모두 만족할 때만 허용
flip model       -> 현대 Windows windowed presentation의 기본 선택
buffer count     -> CPU/GPU/display 겹침과 latency에 영향

Window Resize와 ResizeBuffers

창 크기가 바뀔 때 back buffer 참조를 해제하고 ResizeBuffers, RTV·depth target·viewport를 같은 크기로 재생성하는 순서를 정리합니다.

ignore or defer zero-sized/minimized window
-> OMSetRenderTargets(0, nullptr, nullptr)
-> release RTV, DSV, back-buffer references
-> swapChain->ResizeBuffers(...)
-> GetBuffer and recreate RTV
-> recreate size-dependent depth texture and DSV
-> update viewport and projection aspect ratio

리소스와 입력

Buffer 종류와 BindFlags

ID3D11Buffer 하나를 vertex, index, constant, structured, raw buffer로 만들 때 ByteWidth, BindFlags, MiscFlags와 StructureByteStride를 맞추는 기준을 정리합니다.

vertex data   -> D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER
indices       -> D3D11_BIND_INDEX_BUFFER
shader constants -> D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER
shader read   -> D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE + SRV
unordered read/write -> D3D11_BIND_UNORDERED_ACCESS + UAV
stream-output target -> D3D11_BIND_STREAM_OUTPUT + SOSetTargets

Resource Usage와 CPUAccessFlags

IMMUTABLE, DEFAULT, DYNAMIC, STAGING을 GPU·CPU 접근 방향과 갱신 빈도로 선택하고 유효한 CPUAccessFlags 조합을 정리합니다.

Map과 UpdateSubresource 선택

Dynamic resource를 Map하는 방식과 DEFAULT resource를 UpdateSubresource·Copy로 갱신하는 방식을 overwrite 범위와 GPU hazard 기준으로 비교합니다.

DYNAMIC + CPU write every frame -> Map(WRITE_DISCARD), memcpy, Unmap
DEFAULT + occasional whole/box update -> UpdateSubresource
GPU-to-GPU transfer -> CopyResource / CopySubresourceRegion
GPU readback -> copy to STAGING, then Map(READ)

Vertex Buffer의 Stride와 Offset

IASetVertexBuffers에서 vertex 하나의 byte 간격인 stride와 buffer 시작 위치인 offset을 input layout과 맞추는 방법을 정리합니다.

UINT stride = sizeof(VertexPositionNormalUv);
UINT offset = 0;
ID3D11Buffer* buffers[] = { vertexBuffer.Get() };
context->IASetVertexBuffers(0, 1, buffers, &stride, &offset);

Index Buffer와 DrawIndexed

16·32-bit index format 선택과 DrawIndexed의 IndexCount, StartIndexLocation, BaseVertexLocation이 실제 vertex를 찾는 방식을 정리합니다.

context->IASetIndexBuffer(indexBuffer.Get(), DXGI_FORMAT_R16_UINT, 0);
context->DrawIndexed(indexCount, startIndex, baseVertex);

Input Layout과 Shader Semantic 연결

C++ vertex memory를 D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC로 해석하고 HLSL vertex shader input semantic과 bytecode 기준으로 검증하는 방법을 정리합니다.

D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC elements[] = {
    { "POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0,
      D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
    { "TEXCOORD", 0, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT, 0,
      D3D11_APPEND_ALIGNED_ELEMENT, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
};

device->CreateInputLayout(elements, 2,
    vertexShaderBytecode->GetBufferPointer(),
    vertexShaderBytecode->GetBufferSize(), layout.GetAddressOf());

Primitive Topology 선택

Point, line, triangle list·strip과 patch topology가 vertex·index stream을 primitive로 묶는 방식을 정리합니다.

POINTLIST      -> vertex 1개마다 point
LINELIST       -> vertex 2개마다 독립 line
LINESTRIP      -> 앞 vertex를 이어 line
TRIANGLELIST   -> vertex/index 3개마다 독립 triangle
TRIANGLESTRIP  -> 앞 두 vertex를 재사용해 triangle 연결
PATCHLIST      -> hull/domain shader tessellation 입력

Constant Buffer Layout과 갱신

Constant buffer의 16-byte ByteWidth, HLSL packing, matrix layout과 frame·object 단위 갱신·binding을 맞추는 방법을 정리합니다.

struct alignas(16) ObjectConstants {
    DirectX::XMFLOAT4X4 worldViewProjection;
    DirectX::XMFLOAT4 color;
};
static_assert(sizeof(ObjectConstants) % 16 == 0);

Texture2D Format과 Subresource

D3D11_TEXTURE2D_DESC의 크기, mip, array, format, sample count와 mip·array slice 조합인 subresource를 정리합니다.

Width / Height   -> mip 0 크기
MipLevels        -> mip 수, 0은 조건에 따라 full chain 요청
ArraySize        -> texture array slice 수
Format           -> 저장 component와 해석 family
SampleDesc       -> MSAA sample count와 quality
BindFlags        -> SRV, RTV, DSV, UAV 용도
subresource      -> mip slice + array slice의 한 조합

SRV·RTV·DSV·UAV View 선택

같은 buffer·texture resource를 shader read, render output, depth test, unordered read/write로 해석하는 네 view의 역할과 동시 binding 제약을 정리합니다.

SRV -> shader가 resource를 읽음
RTV -> pixel shader 결과를 color target에 기록
DSV -> depth/stencil test와 기록
UAV -> shader의 unordered read/write. FL 11_0은 PS/CS, FL 11_1은 전 shader stage

Sampler State의 Filter와 Address Mode

D3D11_SAMPLER_DESC의 min·mag·mip filtering, anisotropy, wrap·clamp·border, comparison sampling을 texture 용도에 맞게 선택합니다.

point       -> nearest texel, pixel-art·정확한 index
linear      -> 이웃 texel 보간, 일반 color texture
anisotropic -> 비스듬한 표면의 texture detail 개선
wrap        -> UV 바깥을 반복
clamp       -> 가장자리 texel 유지
border      -> 지정 border color 반환
comparison  -> depth comparison sampling, shadow map 등

파이프라인과 셰이더

그래픽스 파이프라인 단계

Input Assembler에서 Output Merger까지 Direct3D 11 파이프라인의 입력·출력과 programmable·fixed-function 단계를 연결합니다.

IA -> VS -> HS -> Tessellator -> DS -> GS -> Stream Output -> Rasterizer -> PS -> OM

HLSL 컴파일과 Shader Bytecode

HLSL 파일의 entry point·profile·macro·include를 컴파일하고 오류 blob과 bytecode 수명을 관리하는 기준을 정리합니다.

entry point: VSMain, PSMain처럼 실행을 시작할 함수
profile:     vs_5_0, ps_5_0처럼 stage와 shader model 지정
flags:       Debug/SkipOptimization 또는 release optimization 선택
bytecode:    Create*Shader와 CreateInputLayout에 전달
error blob:  실패 원문을 즉시 log

Vertex·Pixel Shader 입출력 계약

Vertex Shader 입력 semantic과 SV_POSITION 출력, Pixel Shader로 보간되는 값과 system-value semantic을 맞추는 기준을 정리합니다.

struct VSIn  { float3 position : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; };
struct VSOut { float4 position : SV_POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; };

VSOut VSMain(VSIn input)
{
    VSOut output;
    output.position = float4(input.position, 1.0);
    output.uv = input.uv;
    return output;
}

float4 PSMain(VSOut input) : SV_TARGET
{
    return float4(input.uv, 0.0, 1.0);
}

Shader Resource Slot 바인딩

HLSL의 b·t·s·u register와 Constant Buffer·SRV·Sampler·UAV를 stage별 slot에 연결하고 이전 binding을 정리하는 기준을 정리합니다.

b# -> constant buffer
t# -> shader resource view
s# -> sampler state
u# -> unordered access view

Normal과 기본 Light 계산

World-space normal과 Ambient·Directional·Point Light 데이터를 HLSL에서 같은 공간으로 맞춰 diffuse 조명을 계산하는 기준을 정리합니다.

float3 N = normalize(input.normalWS);
float3 L = normalize(-light.directionWS);
float diffuse = saturate(dot(N, L));
float3 color = albedo * (ambient + light.color * diffuse);

외부 Model을 GPU 자원으로 올리는 흐름

모델 파일의 node·mesh·submesh·material·texture를 CPU 데이터로 읽고 Direct3D 11 buffer와 view로 변환하는 경계를 정리합니다.

asset path
-> parse nodes, meshes, materials
-> convert coordinate system·units·winding
-> build vertex/index arrays and bounds
-> create immutable/default GPU buffers
-> load textures and create SRVs
-> store submesh ranges + material handles

Texture Cache와 Material 자원 수명

같은 texture와 material을 공유하고 model reload·scene 교체 때 COM resource를 안전하게 교체하는 cache key와 소유권 기준을 정리합니다.

cache key      -> canonical asset path + import options + color-space intent
shared value   -> texture resource + SRV + metadata
material       -> shader variant + constants + texture/sampler handles
reload         -> 새 resource 완성 후 handle 교체, 이전 frame 사용 종료 뒤 해제

Particle Billboard와 Distance Fog

Camera-facing billboard의 right·up 축과 view-space 거리를 사용해 particle quad와 distance fog를 계산하는 기준을 정리합니다.

float3 worldPos = center + corner.x * cameraRight * size.x
                       + corner.y * cameraUp    * size.y;
float fog = saturate((viewDistance - fogStart) / max(fogEnd - fogStart, 1e-5));
color.rgb = lerp(color.rgb, fogColor, fog);

출력 상태

Depth Buffer와 Depth-Stencil State

Depth texture·DSV와 DepthEnable·DepthWriteMask·DepthFunc를 맞추고 stencil mask·operation을 선택하는 기준을 정리합니다.

opaque geometry      -> depth test ON, write ALL, LESS/LESS_EQUAL
transparent geometry -> depth test ON, write ZERO, sort policy 필요
sky/background       -> projection·clear convention에 맞는 compare
stencil mask         -> read/write mask + front/back operations 지정

Rasterizer State 선택

CullMode·FrontCounterClockwise·FillMode·DepthBias·Scissor·Multisample 설정이 삼각형과 pixel 후보 생성에 미치는 영향을 정리합니다.

CullMode        -> BACK 기본, double-sided는 NONE 검토
FrontCCW        -> vertex winding과 좌표계 변환에 맞춤
FillMode        -> SOLID 또는 debug WIREFRAME
ScissorEnable   -> viewport 안의 추가 pixel rectangle 제한
DepthBias       -> shadow/decal의 depth 충돌 완화, 과하면 분리 현상

Alpha와 Additive Blend State

D3D11_BLEND_DESC의 source·destination factor와 operation을 straight alpha, premultiplied alpha, additive 효과에 맞추는 기준을 정리합니다.

opaque:             BlendEnable = FALSE
straight alpha:     SrcAlpha, InvSrcAlpha
premultiplied alpha: One, InvSrcAlpha
additive:           SrcAlpha/One 또는 One/One, 목적에 맞게 선택

Viewport·Render Target·Pass 전환

Back buffer와 offscreen target 사이에서 RTV·DSV·viewport·SRV binding을 올바른 순서로 전환하고 복원하는 흐름을 정리합니다.

unbind target resource from SRV slots
-> OMSetRenderTargets(offscreen RTV/DSV)
-> RSSetViewports(offscreen size)
-> clear and draw
-> unbind offscreen outputs
-> bind back-buffer RTV/DSV + window viewport
-> bind offscreen SRV and composite

변환과 카메라

Local·World·View·Clip Space 연결

Direct3D 11에서 local position이 world·view·projection 행렬을 거쳐 clip·NDC·viewport 좌표로 바뀌는 흐름을 정리합니다.

local -> World -> world -> View -> view -> Projection -> clip
clip.xyz / clip.w -> NDC -> viewport -> screen/depth

행렬 곱 순서와 HLSL Transpose

DirectXMath와 HLSL 사이에서 vector convention, row·column-major storage, mul 순서와 constant buffer 전치를 한 계약으로 맞추는 기준을 정리합니다.

CPU math convention
-> combined matrix order
-> constant-buffer storage/transpose
-> HLSL declaration row_major/column_major
-> mul(vector, matrix) 또는 mul(matrix, vector)

View·Projection과 Camera 설정

카메라 eye·target·up으로 View를 만들고 FOV·aspect·near·far와 handedness에 맞는 Perspective·Orthographic Projection을 선택합니다.

View:       eye, target, up, handedness (`forward` 입력이면 target = eye + forward)
Perspective: vertical FOV, width/height aspect, nearZ, farZ
Orthographic: view width, view height, nearZ, farZ

성능과 진단

Bounding Volume과 Frustum Culling

Mesh의 local bounds를 world-space sphere·AABB로 갱신하고 camera frustum 밖의 draw를 CPU에서 제외하는 기준을 정리합니다.

mesh local bounds
-> world transform 반영
-> camera view-projection에서 frustum 생성
-> volume vs frustum test
-> outside: draw 제외 / intersecting or inside: queue 유지

거리 기반 LOD 선택

Camera 거리나 화면 점유율로 mesh LOD를 선택하고 hysteresis·cross-fade로 경계 진동과 전환 pop을 줄이는 기준을 정리합니다.

large screen coverage -> LOD0
medium coverage       -> LOD1
small coverage        -> LOD2
below visibility cut  -> culled or impostor

GPU Instancing 적용 조건

같은 mesh·shader·state를 공유하는 여러 object를 per-instance buffer와 DrawIndexedInstanced로 묶어 draw call을 줄이는 기준을 정리합니다.

공유: vertex/index buffer, shader, material state
instance data: transform, color, object ID 등
input layout: InputSlotClass = PER_INSTANCE_DATA
draw: DrawIndexedInstanced(indexCount, instanceCount, ...)

Render Queue와 State 정렬

Render item을 pass·transparency·pipeline state·material·depth key로 정렬해 state 변경과 overdraw를 줄이는 기준을 정리합니다.

scene traversal -> visible render items
opaque queue    -> pass/state/material 우선 + front-to-back 검토
transparent     -> blend group + back-to-front 또는 전용 OIT 정책
submit          -> state cache 비교 후 필요한 binding만 변경

검은 화면과 Binding 오류 진단

화면이 비거나 geometry·shader·texture가 깨질 때 output에서 input 방향으로 binding과 값 범위를 좁히는 진단 순서를 정리합니다.

1. HRESULT와 Debug Layer의 첫 error 확인
2. Present와 back-buffer RTV·viewport 확인
3. clear color가 보이는지 확인
4. depth/cull/blend를 known baseline으로 고정
5. draw count, topology, VB/IB/layout 확인
6. VS clip position을 단순 값으로 검증
7. PS를 상수색으로 바꿔 texture·lighting 분리

Release·Asset·Device Removed 오류 진단

Debug에서는 되지만 Release·배포 환경에서 실패하는 shader·DLL·asset path 문제와 device removed 원인을 구분하는 절차를 정리합니다.

startup failure -> log full executable path, asset root, HRESULT, missing DLL/shader
Present result -> status와 error를 먼저 구분
DEVICE_REMOVED/RESET -> GetDeviceRemovedReason으로 HUNG·driver·adapter 원인 분리
recovery -> device-dependent resources 전체 재생성

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