[译]Windows 中的 2D 绘图 API

原文链接 : 2D Drawing APIs in Windows

背景知识 : Windows 图形编程

    在 Windows 7 操作系统中，微软花费了很大的力气构建了一套新的 2D 绘图 API。我们称之为 Direct2D ，隶属于 DirectX 家族。这个 API 的开发填补了 Windows 图形平台的一些缺陷。其中非常重要的一点就是普通的 2D 程序渲染不再缺乏硬件加速。而在 Windows Vista 中，我们知道 GDI 是无法进行硬件加速的。微软寄望于开发的这个 API 具备很多现代特性。比如支持抗锯齿和 Alpha Blend 的 2D 渲染，和其它现代图形 API 交互，服务器端渲染，诸如此类。

    为了方便理解微软为何开发 Direct2D ，我们先来回顾一下当初开发 Windows 时的历史。最初的渲染系统叫做 GDI (图形设备接口)，今天仍然存在。它最初为 16 位 Windows 写就，随后升级到 32 位 Windows (Windows 95 和 Windows NT)。因为 GDI 是为很久以前那些计算能力低下的计算机而开发的，所以它并没有诸如抗锯齿之类的特性，大多数 API 亦不支持 Alpha 通道。

    在 Windows 95 期间，DirectX 发布了第一版。DirectDraw 是其中最早的组件之一。当初的本意是在硬件加速启用的情况下，开发人员可以绕过 WinG 允许，直接访问硬件。这样的一个协议堆栈既可以和 GDI 协作，但是又真正处在同一地位。

    随着图形硬件(显卡)演进，GDI 通过 DDI (设备驱动接口) 获得了硬件加速的能力。很多视频卡实现了这些 DDI ，而通过购买一块视频卡来改善你的 Windows 性能亦成为平常之事。接下来，Direct3D 进驻到 DirectX 2 中，当然它也创建了自己的 DDI 集。随之，视频卡开始投入越来越多的精力来使得 3D 图形越来越快，以便维持游戏市场巨大的需求。最后导致诞生了两个不同的领域 : 硬件加速和图形编程。前者围绕于 Direct3D 构建，后者则围绕于 GDI 。

    Direct3D 和 GDI 构建于不同目标，不同位置的事实意味着它们并不能像人们期望的那样能够良好的工作在一起。虽然实现了不少像 GetDC 这样的帮助桥接特性，但是在大量交叉渲染的场景下它们总是存在着或这或那的一些问题。尽管如此，微软并没有移除这些待解决的场景需求。

    到了世纪之交，GDI 的限制越来越显现。微软针对这些功能缺陷做了一个 GDI 扩展，即 GDI+ 。这些扩展提供了诸如位图操作，画笔，抗锯齿和越来越复杂的 Primitive 渲染中不同像素深度格式，Alpha Blend 的支持。同时，GDI+ 亦包括了诸如打开 Png 和 Jpg 格式文件的图像操作支持。然而，GDI+ 新增的全部操作都没有硬件加速支持。

    GDI+ 在托管世界中非常流行，这主要得力于它是 System.Windows.Drawing 命名空间的主力。每一个客户自定义渲染的非常漂亮的 Windows Form 程序都使用 GDI+ 来当此大任。但是，构建于 GDI 之上的 GDI+ 同样继承了与 Direct3D 交互的所有问题。事实上，因为它总是软渲染，在某些场景下，它会变得更糟。

    当时间走到计划研发 Windows 7 时，很明显，微软需要解决很多互操作性的不足，以及不平衡的硬件加速能力。保留现有的 API 且要达到上述目的是相当困难的事情。GDI 有很长的历史，这需要应付海量的应用程序兼容性问题。如果要把 Alpha Blend 支持(举例) 弄进 GDI 核心 API 集合，而且还不得罪现有的客户无异于天方夜谭。因为 GDI+ 构建于 GDI 之上，旧有的陋习同样让它获得硬件加速能力变得难以实现。

    解决方案就是创建新的 API 来囊括我们想要的功能和处理互操作性问题。MIL 代码(WPF 处理渲染的原生组件)是一个很方便的起点。它有着我们想要的渲染特性，而且同时提供了软件渲染和硬件加速。

    首先需要做的事情是使渲染代码基于 D3D 10.1 ，而不是 D3D 9 。之所以这样决定是因为有一些构建于这个运行时版本的其它技术把 D3D 10.1 作为基础(10Level9，WARP，D3D Primitive Remoting)。而且我们还可以看到未来的硬件同样构建于这个架构之上。这样就能允许我们来设计 D3D 10.1 互操作性。因此就能允许与其它技术交互，比如 Direct2D 。

    另外一个互操作性工作就是利用窗口管理器和 DXGI ，以确保 Direct2D 和 GDI 能够共同工作。你可以使用 Direct2D 绘图到 GDI 目标，同理，反之亦可。 但是，从性能的角度来看，这些特性并非免费。它只是让那些构建在这两种混合 API 上的应用程序能够平滑过渡到新世界。

    前面所作的工作中很重要的一块就是尽量使得此 API 在性能方面富于表现力。对于开发人员来说，WPF 的好处在于它做了很重要的资源管理工作，但却使得直接控制硬件变得困难起来。这听起来貌似很简单，但是这背后有着大量的设计决定以确保 GPU 内存没有分配给不需要之人，且仍然能够允许人们构造他们之所想。因此遵循了这样一个原则的 Direct2D 设计和资源/线程模型就能够允许服务器端渲染进行合适的伸缩。GDI 却不能。

    此外，对于处理文本和图像可以分别采用 DirectWrite 和 WIC 。这表明了微软 DirectX 家族正更加组件化。Direct2D 以一种互补的方式对 DirectWrite 文本和 WIC 位图操作提供硬件加速支持。

    最后想说的是，我们构建了一个支持硬件加速的 2D 渲染 API (带有软渲染)。它有着现代渲染原语集合，能和以前的 API 进行交互。我们认为它完全可以取代作为大多数应用程序开发场景所使用的 GDI/GDI+ API ，而且也可以作为某些游戏开发场景中 D3D 10.1 的补充。微软构建的这么一套组件化的技术集合完全允许开发人员混合搭配以构造以前难以构造的事物。比如把已定位的文本像素直接渲染到 Direct3D 纹理当中，而不需要任何字体的支持。