DirectX11 With Windows SDK--08 Direct2D與Direct3D互操作性以及利用DWrite顯示文字

前言

注意：從這一章起到后面的所有項目無一例外都利用了Direct2D與Direct3D互操作性，但系統要求為Win10, Win8.x 或 Win7 SP1且安裝了KB2670838補丁以支持Direct3D 11.1(DXGI1.2)。否則將無法顯示所有文本。如果你的Win7系統運行程序無法顯示文本，強烈建議打上上述補丁

在DX11，要顯示文字可以說是一件比較麻煩的事情。DX9諸如Id3dXFont用於顯示文字的接口類都已經被拋棄掉了。目前行之有效的兩種顯示文字的方法如下：

1. 使用包含文字的位圖/矢量圖，然后通過一定的方式來獲取對應文字的矩形區域，最后渲染出來。

2. 通過實現Direct2D與Direct3D互操作性，然后配合DWrite在程序寫入文字。

對於個人來說，第一種方式做起來比較麻煩。對於第二種方法，我通過查閱MSDN文檔，並進行了一定嘗試，很快就實現了文字顯示。因此接下來將圍繞第二種方法進行討論（這里不關注貼位圖和繪制幾何體等在Direct2D的其余操作，這些都可以在Direct3D做到）

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通過DXGI進行互操作

從 Direct3D 10.1開始， Direct3D Runtime使用DXGI進行資源管理。DXGI Runtime提供了跨進程共享視頻內存圖面的功能，並且可用作其他基於視頻內存的運行時平台的基礎。Direct2D 使用 DXGI 與 Direct3D 交互，並且交互下的Direct2D的內容繪制實際上也是基於Direct3D來實現的。下圖通過圖形調試器可以佐證這一點：

這里的對象2為D3D立即設備上下文。

但是，在系統不支持Direct3D 11.1的情況下，DXGI的版本為1.1。而DXGI1.1只能通過Direct3D 10.1進行互操作。由於實現過程十分繁瑣，需要用到紋理和混合部分的內容，加上本人系統又是Win10，沒法做低版本DXGI下的測試（找一部不支持Direct3D 11.1的Win7系統的電腦都有些困難），故不考慮實現。

這里給出Direct3D 11和Direct3D 10.1共享表面來互操作的方法：
Simple Font

在系統支持Direct3D 11.1的情況下，DXGI的版本為1.2，而DXGI1.2可以與Direct3D 11.X進行互操作。

為了實現Direct2D和Direct3D互操作，並顯示文字，需要經歷下面的准備步驟：

1. 如果是Win7系統需要更新至SP1，並安裝KB2670838補丁
2. 在d3dApp.h添加頭文件d2d1.h和dwrite.h，並添加靜態庫d2d1.lib和dwrite.lib
3. 修改創建ID3D11Device和IDXGISwapChain時的一些配置參數
4. 創建ID2D1Factory
5. 通過IDXGISwapChain獲取接口類IDXGISurface，並通過它來創建ID2D1RenderTarget以進行綁定。這樣就可以通過該渲染目標進行具體操作了。

D3D11設備和DXGI交換鏈的創建屬性修改

由於Direct2D需要支持BGRA的數據格式，因此在創建D3D11設備前需要修改如下部分：

// 創建D3D設備 和 D3D設備上下文
UINT createDeviceFlags = D3D11_CREATE_DEVICE_BGRA_SUPPORT;	// Direct2D需要支持BGRA格式
#if defined(DEBUG) || defined(_DEBUG)  
	createDeviceFlags |= D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG;
#endif

然后在創建DXGI交換鏈的時候也要將DXGI格式修改為DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM：

// 檢測 MSAA支持的質量等級
md3dDevice->CheckMultisampleQualityLevels(
	DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM, 4, &m4xMsaaQuality);	// 注意此處DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM
assert(m4xMsaaQuality > 0);
	
...

// 如果包含，則說明支持DX11.1
if (dxgiFactory2 != nullptr)
{
	...
	// 填充各種結構體用以描述交換鏈
	DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1 sd;
	ZeroMemory(&sd, sizeof(sd));
	...
	sd.Format = DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM;		// 注意此處DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM
	...
}
else
{
	// 填充DXGI_SWAP_CHAIN_DESC用以描述交換鏈
	DXGI_SWAP_CHAIN_DESC sd;
	ZeroMemory(&sd, sizeof(sd));
	...
	sd.BufferDesc.Format = DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM;	// 注意此處DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM
	...
}

最后就是在D3DApp::OnReSize方法中修改重設交換鏈的數據格式部分：

// 重設交換鏈並且重新創建渲染目標視圖
ComPtr<ID3D11Texture2D> backBuffer;
HR(m_pSwapChain->ResizeBuffers(1, m_ClientWidth, m_ClientHeight, DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM, 0));	// 注意此處DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM
HR(m_pSwapChain->GetBuffer(0, __uuidof(ID3D11Texture2D), reinterpret_cast<void**>(backBuffer.GetAddressOf())));
HR(m_pd3dDevice->CreateRenderTargetView(backBuffer.Get(), nullptr, m_pRenderTargetView.GetAddressOf()));	

做完這些后，緊接着就是要實現Direct3D與Direct2D共享表面的操作。

D2D1CreateFactory函數--創建D2D工廠對象

在創建D2D渲染目標前，還需要先創建一個ID2D1Factory對象，可以用來創建各種資源：

template<class Factory>
HRESULT D2D1CreateFactory(
    D2D1_FACTORY_TYPE factoryType,  // [In]枚舉值
    Factory **factory               // [Out]獲取的工廠對象
);

創建操作如下：

HR(D2D1CreateFactory(D2D1_FACTORY_TYPE_SINGLE_THREADED, m_pd2dFactory.GetAddressOf()));

注意這里用了HR宏，以及md2dFactory是ComPtr<ID2D1Factory>類型

ID2D1Factory::CreateDxgiSurfaceRenderTarget方法--創建一個DXGI表面渲染目標

現在我們要創建的是ID2D1RenderTarget對象。

接下來的操作需要在每次窗口大小變化且調用了IDXGISwapChain::ReSizeBuffers方法之后進行。通常建議寫在GameApp::OnReSize內調用D3DApp::OnReSize之后。

首先釋放之前創建的D2D資源（如果有的話），通過IDXGISwapChain::GetBuffer方法來獲取后備緩沖區的IDXGISurface接口：

m_pd2dRenderTarget.Reset();

ComPtr<IDXGISurface> surface;
HR(m_pSwapChain->GetBuffer(0, __uuidof(IDXGISurface), reinterpret_cast<void**>(surface.GetAddressOf())));
	

然后填充D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES結構體屬性：

typedef struct D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES
{
    D2D1_RENDER_TARGET_TYPE type;   // 渲染目標類型枚舉值
    D2D1_PIXEL_FORMAT pixelFormat;  
    FLOAT dpiX;                     // X方向每英寸像素點數，設為0.0f使用默認DPI
    FLOAT dpiY;                     // Y方向每英寸像素點數，設為0.0f使用默認DPI
    D2D1_RENDER_TARGET_USAGE usage; // 渲染目標用途枚舉值
    D2D1_FEATURE_LEVEL minLevel;    // D2D最小特性等級

} D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES;

typedef struct D2D1_PIXEL_FORMAT
{
    DXGI_FORMAT format;             // DXGI格式
    D2D1_ALPHA_MODE alphaMode;      // 混合模式

} D2D1_PIXEL_FORMAT;

可以借用D2D1::RenderTargetProperties函數來創建，這里使用默認DPI：

D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES props = D2D1::RenderTargetProperties(
	D2D1_RENDER_TARGET_TYPE_DEFAULT,
	D2D1::PixelFormat(DXGI_FORMAT_UNKNOWN, D2D1_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED));

最后ID2D1Factory::CreateDxgiSurfaceRenderTarget方法如下：

HRESULT ID2D1Factory::CreateDxgiSurfaceRenderTarget(
    IDXGISurface *dxgiSurface,          // [In]DXGI表面
    const D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES *renderTargetProperties,    // [In]D2D渲染目標屬性
    ID2D1RenderTarget **renderTarget    // [Out]得到的D2D渲染目標
);

具體調用如下：

HRESULT hr = m_pd2dFactory->CreateDxgiSurfaceRenderTarget(surface.Get(), &props, m_pd2dRenderTarget.GetAddressOf());
surface.Reset();

至此，Direct2D就可以和Direct3D通過DXGI實現互操作了。通過ID2D1RenderTarget，你可以創建各種類型的顏色刷子，並進行繪制操作。但由於我們需要繪制文字，下面會介紹DWrite。

使用DWrite顯示文字

要顯示文字，需要經過下面的步驟：

1. 創建IDWriteFactory工廠對象
2. 通過DWrite工廠對象創建IDWriteTextFormat文本格式對象
3. 為文本格式對象設置好文本格式
4. 通過ID2D1RenderTarget創建顏色刷
5. 在繪制完3D部分后以及最終呈現之前進行文本繪制

DWriteCreateFactory函數--創建DWrite工廠對象

函數原型如下：

HRESULT DWriteCreateFactory(
    DWRITE_FACTORY_TYPE factoryType,    // [In]工廠類型枚舉
    const IID & iid,                    // [In]接口標識ID
    IUnknown **factory                  // [Out]獲得工廠對象
    );

下面演示了創建過程：

HR(DWriteCreateFactory(DWRITE_FACTORY_TYPE_SHARED, __uuidof(IDWriteFactory),
		reinterpret_cast<IUnknown**>(m_pdwriteFactory.GetAddressOf())));

IDWriteFactory::CreateTextFormat方法--創建文本格式對象

HRESULT IDWriteFactory::CreateTextFormat(
    const WCHAR * fontFamilyName,           // [In]字體系列名稱
    IDWriteFontCollection * fontCollection, // [In]通常用nullptr來表示使用系統字體集合 
    DWRITE_FONT_WEIGHT  fontWeight,         // [In]字體粗細程度枚舉值
    DWRITE_FONT_STYLE  fontStyle,           // [In]字體樣式枚舉值
    DWRITE_FONT_STRETCH  fontStretch,       // [In]字體拉伸程度枚舉值
    FLOAT  fontSize,                        // [In]字體大小
    const WCHAR * localeName,               // [In]區域名稱
    IDWriteTextFormat ** textFormat);       // [Out]創建的文本格式

字體系列的名稱可以用中文來引用，比如L"宋體"，L"微軟雅黑"等。

字體粗細看個人喜好，用DWRITE_FONT_WEIGHT_NORMAL就差不多了吧

字體樣式如下：

枚舉值	樣式
DWRITE_FONT_STYLE_NORMAL	默認
DWRITE_FONT_STYLE_OBLIQUE	斜體
DWRITE_FONT_STYLE_ITALIC	意大利體

字體拉伸程度用DWRITE_FONT_STRETCH_NORMAL就可以了

字體大小建議在Word文檔提前感受一下

區域名稱這里默認用L"zh-cn"

創建演示如下：

HR(m_pdwriteFactory->CreateTextFormat(L"宋體", nullptr, DWRITE_FONT_WEIGHT_NORMAL,
	DWRITE_FONT_STYLE_NORMAL, DWRITE_FONT_STRETCH_NORMAL, 20, L"zh-cn",
	m_pTextFormat.GetAddressOf()));

創建了IDWriteTextFormat對象后，可以調用它的一系列Get方法獲取文本格式的詳細信息，也可以用一系列Set方法來設置。這里不展開說明。

ID2D1RenderTarget::CreateSolidColorBrush方法--創建單色刷對象

雖然ID2D1RenderTarget對象提供了多種刷子供創建，但最常用的還是創建ID2D1SolidColorBrush單色刷。

該方法是經過重載的，現在只討論其中一種重載方法：

HRESULT ID2D1RenderTarget::CreateSolidColorBrush(
    const D2D1_COLOR_F &color,  // [In]顏色
    ID2D1SolidColorBrush **solidColorBrush // [Out]輸出的顏色刷
);

這里會默認指定Alpha值為1.0

D2D1_COLOR_F是一個包含r,g,b,a浮點數的結構體，但其實還有一種辦法可以指定顏色，就是利用它的繼承類D2D1::ColorF中的構造函數，以及D2D1::ColorF::Enum枚舉類型來指定要使用的顏色，可以進里面去查看，這里就不給出所有的顏色枚舉了。

下面演示了怎么創建一個單色刷：

// 創建固定顏色刷和文本格式
HR(m_pd2dRenderTarget->CreateSolidColorBrush(
	D2D1::ColorF(D2D1::ColorF::White),
	m_pColorBrush.GetAddressOf()));

D3DApp類、GameApp類的變化以及開始文本繪制

這里以上一個項目為例，進行修改。

在D3DApp類中，新增了D3DApp::InitDirect2D方法用於創建D2D工廠和DWrite工廠：

bool D3DApp::InitDirect2D()
{
	HR(D2D1CreateFactory(D2D1_FACTORY_TYPE_SINGLE_THREADED, m_pd2dFactory.GetAddressOf()));
	HR(DWriteCreateFactory(DWRITE_FACTORY_TYPE_SHARED, __uuidof(IDWriteFactory),
		reinterpret_cast<IUnknown**>(m_pdwriteFactory.GetAddressOf())));

	return true;
}

該方法在D3DApp::Init中被調用。

而在GameApp::OnReSize方法中也進行了修改：

void GameApp::OnResize()
{
	assert(m_pd2dFactory);
	assert(m_pdwriteFactory);
	// 釋放D2D的相關資源
	m_pColorBrush.Reset();
	m_pd2dRenderTarget.Reset();

	D3DApp::OnResize();

	// 為D2D創建DXGI表面渲染目標
	ComPtr<IDXGISurface> surface;
	HR(m_pSwapChain->GetBuffer(0, __uuidof(IDXGISurface), reinterpret_cast<void**>(surface.GetAddressOf())));
	D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES props = D2D1::RenderTargetProperties(
		D2D1_RENDER_TARGET_TYPE_DEFAULT,
		D2D1::PixelFormat(DXGI_FORMAT_UNKNOWN, D2D1_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED));
	HRESULT hr = m_pd2dFactory->CreateDxgiSurfaceRenderTarget(surface.Get(), &props, m_pd2dRenderTarget.GetAddressOf());
	surface.Reset();

	if (hr == E_NOINTERFACE)
	{
		OutputDebugString(L"\n警告：Direct2D與Direct3D互操作性功能受限，你將無法看到文本信息。現提供下述可選方法：\n"
			"1. 對於Win7系統，需要更新至Win7 SP1，並安裝KB2670838補丁以支持Direct2D顯示。\n"
			"2. 自行完成Direct3D 10.1與Direct2D的交互。詳情參閱："
			"https://docs.microsoft.com/zh-cn/windows/desktop/Direct2D/direct2d-and-direct3d-interoperation-overview""\n"
			"3. 使用別的字體庫，比如FreeType。\n\n");
	}
	else if (hr == S_OK)
	{
		// 創建固定顏色刷和文本格式
		HR(m_pd2dRenderTarget->CreateSolidColorBrush(
			D2D1::ColorF(D2D1::ColorF::White),
			m_pColorBrush.GetAddressOf()));
		HR(m_pdwriteFactory->CreateTextFormat(L"宋體", nullptr, DWRITE_FONT_WEIGHT_NORMAL,
			DWRITE_FONT_STYLE_NORMAL, DWRITE_FONT_STRETCH_NORMAL, 20, L"zh-cn",
			m_pTextFormat.GetAddressOf()));
	}
	else
	{
		// 報告異常問題
		assert(m_pd2dRenderTarget);
	}
}

在這里D2D的相關資源需要在D3D相關資源釋放前先行釋放掉，然后在D3D重設后備緩沖區后重新創建D2D渲染目標。至於D2D后續的相關資源也需要重新創建好來。

最后在GameApp::DrawScene方法中，繪制2D部分需要在3D部分繪制完后，呈現之前進行。

首先需要調用ID2D1RenderTarget::BeginDraw方法，開始D2D繪制。該方法沒有參數

繪制完成后，就調用ID2D1RenderTarget::EndDraw方法，結束D2D繪制。該方法的返回值為HRESULT，若之前繪制出現問題，在EndDraw才會進行反饋。可以用HR宏包住。

ID2D1RenderTarget::DrawTextW方法--繪制文本

DrawText在這里進行了宏定義：

#ifdef UNICODE
#define DrawText  DrawTextW
#else
#define DrawText  DrawTextA
#endif // !UNICODE

我們的項目是只能使用Unicode字符集的（dxerr.h只允許該字符集），所以直接討論DrawTextW方法

該方法也經過了重載。現在只討論其中一種，且使用默認參數：

void ID2D1RenderTarget::DrawTextW(
    WCHAR *string,                      // [In]要輸出的文本
    UINT stringLength,                  // [In]文本長度，用wcslen函數或者wstring::length方法獲取即可
    IDWriteTextFormat *textFormat,      // [In]文本格式
    const D2D1_RECT_F &layoutRect,      // [In]布局區域
    ID2D1Brush *defaultForegroundBrush, // [In]使用的前景刷
    D2D1_DRAW_TEXT_OPTIONS options = D2D1_DRAW_TEXT_OPTIONS_NONE,
    DWRITE_MEASURING_MODE measuringMode = DWRITE_MEASURING_MODE_NATURAL);

D2D1_RECT_F結構體包含了left,top,right,bottom四個成員。

現給出GameApp::DrawScene方法Direct2D部分的實現：

void GameApp::DrawScene()
{
	assert(m_pd3dImmediateContext);
	assert(m_pSwapChain);

	// 繪制Direct3D部分
	...

	// 繪制Direct2D部分
	if (m_pd2dRenderTarget != nullptr)
	{
		m_pd2dRenderTarget->BeginDraw();
		std::wstring textStr = L"切換燈光類型: 1-平行光 2-點光 3-聚光燈\n"
			"切換模型: Q-立方體 W-球體 E-圓柱體 R-圓錐體\n"
			"S-切換模式 當前模式: ";
		if (m_IsWireframeMode)
			textStr += L"線框模式";
		else
			textStr += L"面模式";
		m_pd2dRenderTarget->DrawTextW(textStr.c_str(), textStr.size(), m_pTextFormat.Get(),
			D2D1_RECT_F{ 0.0f, 0.0f, 600.0f, 200.0f }, m_pColorBrush.Get());
		HR(m_pd2dRenderTarget->EndDraw());
	}

	HR(m_pSwapChain->Present(0, 0));
}

最終效果如下：

DirectX11 With Windows SDK完整目錄

Github項目源碼

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參考文章如下：

Direct2D與Direct3D互操作性概述