Direct3D は、3Dグラフィックス を描画するためのAPI である。マイクロソフト が提供するマルチメディアAPIセットDirectX の一部であり、様々なWindows （主にWindows 95 以上）で動作し、さらに、家庭用ゲーム機であるXbox シリーズ（初代Xbox 、Xbox 360 、Xbox One 、Xbox Series X/S ）のグラフィックスAPIのベースでもある。略称としてD3D がよく使われる。
Direct3Dはゲームのようなパフォーマンスが重要なアプリケーションで利用される。そのためもあり、ウィンドウ表示だけでなく全画面（フルスクリーン）表示での実行も可能となっている。グラフィックスボード やCPU 内蔵GPU など、Direct3Dに対応したグラフィックスデバイスが搭載されているシステムであれば、ハードウェアアクセラレーション を利用し、3Dのレンダリングパイプラインの全体または一部がハードウェアによって高速化される。Direct3DはZバッファ 、ステンシルバッファ、裏面カリング、視錐台 (frustum) カリング、アンチエイリアス 、アルファチャンネル 、アルファブレンディング 、ミップマップ 、パースペクティブ補正テクスチャマッピング 、プログラマブルシェーダー 、テッセレーション といった3Dグラフィックスハードウェアの先進的なグラフィックス機能を利用できる。他のDirectXのテクノロジとの統合により、インタラクティブなメディアタイトルで2Dと3Dを用いて、ビデオマッピング、2Dのオーバーレイ プレーンへのハードウェア3Dレンダリング、スプライト といったような機能をDirect3Dは実行できる。
Direct3Dは3D APIである。つまり、3Dレンダリングのための様々なコマンドが含まれるということであるが、Direct3Dのバージョン8より、古いDirectDraw のフレームワークと置き換えられ、また2Dグラフィックス の機能も引き継いでいる[ 1] [ 2] ピクセルシェーダー を必要として、そしてユーザーのコンピュータのビデオカードがその機能をサポートしないなら、Direct3Dはそれをエミュレート しない。代わりに、APIは一般的なグラフィックスカードをCPUで完全エミュレートするリファレンスラスタライザ（またはREFデバイス）を定義する。ただし、ピクセルシェーダー をCPUでエミュレーションするのはどんなアプリケーションでも使用に耐えないくらい遅く、製品版アプリケーションでの使用は想定されていない[ 3] WARP （英語版 ） [ 4]
Direct3D 11.xまでの主な競合相手はOpenGL である。2つのAPIには考え方の合わない数多くの機能と問題がある。en:Comparison of Direct3D and OpenGL を参照のこと。OpenGL 4以降はDirect3Dからの移植を容易にするため、Direct State AccessなどのDirect3Dの設計思想に近い機能も取り入れるようになっている。Direct3D 12はハードウェア抽象化層を薄くしたローレベルAPIとして大幅に再設計され、競合はMetal やVulkan である。
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（2015年6月 ）
Windows XPまでの抽象化レイヤー Direct3DはDirectX APIのサブシステムコンポーネントである。グラフィックスアプリケーションとグラフィックスハードウェアデバイスの間の通信を抽象化することがDirect3Dの目的である。これはGDI と比較して薄い抽象化レイヤー となっている（図参照）。COM ベースのアーキテクチャによりDirect3Dはディスプレイドライバと直接接続しており、GDIと比べてレンダリングのパフォーマンスで優れた結果を得られるところがGDIとDirect3Dの最も大きな違いである。なお、図はWindows XP /Direct3D 9までの古いモデル (XPDM) であり、Windows Vista /Direct3D 9Ex以降ではさらにDirectX/Direct3DがOSのグラフィックス根幹機能へと昇格され、GDIはすでにDirectX/Direct3Dと独立・同列ではなくなり、DirectXランタイム（DXGI と呼ばれるDirect3Dベースのグラフィックス基盤）上にて動作することになる (WDDM )[ 5]
Direct3Dは"イミディエイトモード"（IM: 直接モード）のグラフィックスAPIである。これは各ビデオカードの3D機能（平行移動 、クリッピング、光源、マテリアル、テクスチャ、深度バッファ など）に低レベルなインターフェイスを提供する。またDirect3D 7までは"リテインドモード"（RM: 保持モード）という高レベルのコンポーネントもあった[ 6]
Direct3Dのイミディエイトモードは「デバイス」、「リソース」、「スワップチェーン」の3つの主要な抽象化を提供する（図参照）。「デバイス」は描画に必要な処理を行うソフトウェア・ハードウェアを指す概念であり、アプリケーションは「デバイスタイプ」[ 7] [ 8]
HAL (hardware abstraction layer [ 9] ユーザーのコンピュータに搭載されたハードウェアアクセラレータを使用して処理を行う。ハードウェアアクセラレーションをサポートする場合、Direct3Dのコードはハードウェアの速度で動作可能。 デバイス リファレンスデバイス
Direct3Dのほとんどの機能を忠実に実装しているが、パフォーマンスが非常に低いソフトウェアレンダラーを選択する。このデバイスタイプを利用するためにはDirect3DのSDK を事前にインストールする必要がある。
ヌルリファレンスデバイス
これは何もせず真っ暗な画面を表示する。このデバイスはSDKがインストールされていないのにリファレンスデバイスが要求された場合に使用される。
プラグ可能ソフトウェアデバイス
ソフトウェアラスタライゼーションを実行するために利用される。ソフトウェアレンダラーはDirect3Dには内蔵されていないため、アプリケーションはこれを選択するには独自のソフトウェアレンダラーをDirect3Dに登録する必要がある[ 10] [ 11] 各デバイスは最低1つの「スワップチェーン」を含む。スワップチェーンは1つ以上のバックバッファ サーフェス（ピクセルデータの長方形の集合と、そのピクセルの色、深さ、ステンシル、アルファ、テクスチャなどの属性）で構成される。Direct3D描画コマンドによってレンダリングはバックバッファのどこかに行なわれ、最後にPresent処理によってバックバッファからフロントバッファにピクセルデータが転送されることで画面表示が完了する。
さらにデバイスもまた「リソース」のコレクションを含む。リソースはレンダリング中に使用される特定のデータである。各リソースは4つの属性を持つ。
Type
サーフェス、ボリューム、テクスチャ、キューブテクスチャ、ボリュームテクスチャ、サーフェステクスチャ、インデックスバッファ、頂点バッファなど、リソースの種類を定義する。
Pool[ 12] [ 13] [ 14]
実行時にリソースがどのように管理され、どこに保存されるのかを定義する。Default プールはリソースがデバイスメモリ内にのみ存在することを意味している。Managed プールはリソースがシステムメモリに確保され必要時にデバイスへ送られることを意味している。System Memory プールはリソースがシステムメモリ内にのみ存在することを意味している。Scratch プールはシステムメモリプールと同一であるが、この場合はリソースがハードウェアの制約に縛られない。
Format
リソースのメモリ内でのレイアウト、主にピクセルデータのレイアウトを定義する。例えばD3DFMT_R8G8B8フォーマットは24ビットの色深度 を意味する（赤8bit、緑8bit、青8bit）。
Usage
フラグ ビットの集合によりアプリケーションがリソースをどのように使うのかを定義する。これらのフラグはリソースを動的にアクセスするのか静的にアクセスするのかを知るために利用される。静的リソースの値はロード後に変更できないのに対し、動的リソースの値は繰り返し変更することができる。
Direct3D 10のグラフィックス・パイプライン・プロセス Direct3D 10のパイプラインは下記のステージで構成される[ 15] [ 16]
インプット アセンブラー : パイプラインにデータを提供する。バーテックスシェーダー ジオメトリシェーダー ストリーム アウトプット : 前のステージの結果をメモリに保存する。データをリサイクルしてパイプラインに戻すことは有用である。ラスタライザー : プリミティブをピクセルにラスタライズし、見えないところはクリッピングする。ピクセルシェーダー en:Per-pixel lighting 、ピクセル単位ライティング）。アウトプット マージャー : 最終結果を生成するために様々な形式の出力データ（ピクセルシェーダーの出力値、深度およびステンシル情報）を合成する。全てのパイプラインステージは自由に組み合わせることができる。
Direct3D 9ではオプションとして固定機能テッセレーションステージ（高次プリミティブすなわちパッチ）をサポートしていた[ 17] [ 18] [ 19] [ 20]
また、Direct3D 11以降では、グラフィックスパイプラインとは別に汎用計算 (GPGPU ) 用のコンピュートシェーダーを実行できるコンピュートパイプラインをサポートする。
Direct3DはCOMで実装されており、オブジェクト指向インターフェイスを利用してアプリケーションコードを書くことになる。
Direct3D 7（固定機能）で三角形を描画する例。 // 3頂点のポリゴンを表す頂点配列を定義。
// X, Y, Z, Color, Specular, Tu, Tv の順。
// https://learn.microsoft.com/en-us/previous-versions/ms896912(v=msdn.10)
D3DLVERTEX v [ 3 ];
v [ 0 ] = D3DLVERTEX ( D3DVECTOR ( 0.0f , + 1.0f , 0.5f ), 0x00FF0000 , 0 , 0 , 0 );
v [ 1 ] = D3DLVERTEX ( D3DVECTOR ( + 1.0f , 0.0f , 0.5f ), 0x0000FF00 , 0 , 0 , 0 );
v [ 2 ] = D3DLVERTEX ( D3DVECTOR ( -1.0f , 0.0f , 0.5f ), 0x000000FF , 0 , 0 , 0 );
// 三角形を描画するメソッドの呼び出し。
// pD3DDevice は IDirect3DDevice7 インターフェイスへのポインタ。
pD3DDevice -> DrawPrimitive ( D3DPT_TRIANGLELIST , D3DFVF_LVERTEX , v , 3 , 0 );
Direct3D 9（固定機能）で三角形を描画する例。 // ひとつのカスタム頂点情報を表す構造体。
struct MyLVertex {
D3DXVECTOR3 Position ; // float x3
D3DCOLOR Color ; // unsigned long x1, B8G8R8A8
};
// 3頂点のポリゴンを表す頂点配列を定義。
const MyLVertex vertexArray [] = {
{ D3DXVECTOR3 ( 0.0f , + 1.0f , 0.5f ), D3DCOLOR_ARGB ( 255 , 255 , 0 , 0 ) },
{ D3DXVECTOR3 ( + 1.0f , 0.0f , 0.5f ), D3DCOLOR_ARGB ( 255 , 0 , 255 , 0 ) },
{ D3DXVECTOR3 ( -1.0f , 0.0f , 0.5f ), D3DCOLOR_ARGB ( 255 , 0 , 0 , 255 ) },
};
// 三角形を描画するメソッドの呼び出し。
// pD3DDevice は IDirect3DDevice9 インターフェイスへのポインタ。
pD3DDevice -> SetRenderState ( D3DRS_LIGHTING , FALSE );
pD3DDevice -> SetFVF ( D3DFVF_XYZ | D3DFVF_DIFFUSE ); // FVF = Flexible Vertex Format の設定。
pD3DDevice -> DrawPrimitiveUP ( D3DPT_TRIANGLELIST , 1 , vertexArray , sizeof ( MyLVertex ));
Direct3D 7では定義済み頂点フォーマットとしていくつかの組み込みの構造体型が準備されていたが[ 21] [ 22] [ 注釈 1]
固定機能グラフィックスでは組み込みのマテリアル特性に応じた陰影計算[ 23] [ 24] グーローシェーディング [ 25] [ 26] [ 27]
Direct3D 9のプログラマブルシェーダーを利用する場合は、HLSL 言語等を使いシェーダープログラムを別途作成して、あらかじめデバイスにセットしてから描画メソッドを呼び出す必要がある。ただし、Direct3D 9の場合は、プログラマブル頂点シェーダーと固定機能ピクセルシェーダーを組み合わせることも可能である。
また、Direct3D 10およびDirect3D 11においてはFVF、ユーザーポインタ頂点配列 (UP) および固定機能シェーダーが存在しないので、必ず頂点レイアウト、頂点バッファおよびシェーダープログラムを作成する必要がある（シーンを描画するためには少なくとも頂点シェーダーとピクセルシェーダーの2つを作成する必要があるが、深度ステンシルのみのレンダリングであればラスタライザーを無効にして頂点シェーダーだけでレンダリングすることもできる[ 28]
Direct3D 12ではオーバーヘッド低減のため、シェーダープログラムオブジェクトの個別設定は廃止され、パイプラインステートオブジェクト (PSO) としてグラフィックスパイプラインあるいはコンピュートパイプラインごとにすべてのシェーダーステージを各種ステートとともにまとめて事前作成してから設定する方式に変更された[ 29] [ 30]
Direct3Dは2つの異なるディスプレイモードがある。
エクスクルーシブモード（排他モード）
Direct3Dとディスプレイドライバを直接接続するため、Direct3Dデバイスは全画面表示が可能である。アプリケーションがエクスクルーシブモードである間はディスプレイデバイスの使用要求は失敗する。
ウィンドウモード
ウィンドウ内の領域に結果が表示される。Direct3Dは画面を完成させるためにGDI と通信する必要がある。 ウィンドウモードはエクスクルーシブモードよりも若干遅いが、画面を占有しないためその他のGUIと共存させることが可能なほか、外部GUIを必要としない場合においてもデバッグに役立つ。
Direct3D (DirectX 3 - DirectX 5)
レンダリングパイプラインアーキテクチャを採用し、ハードウェア抽象化レイヤー (HAL) とハードウェアエミュレーションレイヤー (HEL) の二種類のレイヤーを持ち、ハードウェア支援が得られない場合もソフトウェアのエミュレーションによって機能するよう設計された。この当時のハードウェアはレンダリングパイプラインのうち、ラスタライズのみがハードウェア化されていた。
Direct3D 6.0
ドリームキャスト にも採用されたバージョンで、環境バンプマップやトライリニアフィルタリング、ミップマップ、テクスチャ圧縮などをサポートしていた。Direct3D 7.0
ハードウェアによる座標変換とライティングを行うハードウェアT&L、一枚のポリゴンに複数のテクスチャを同時に貼るマルチテクスチャやキューブマップをサポートした。
Direct3D 8.0
Xbox などに採用されたバージョンで、原始的なプログラマブルシェーダー（アセンブラ）を初めてサポートした。その他にも、ボリュームテクスチャ、マルチサンプルレンダリングをサポート。リファレンスラスタライザ以外のソフトウェアレンダラを廃止。Direct3D 8.1
Windows XP に標準搭載されている。プログラマブルシェーダー1.1、1.2、1.3、および1.4をサポートする。Direct3D 9.0
実数（浮動小数点数 ）テクスチャ、およびプログラマブルシェーダー2.0をサポートした。また、プログラマブルシェーダーを記述するための高級言語「HLSL 」に対応した。
Direct3D 9.0c
プログラマブルシェーダー3.0をサポートした。プログラマブルシェーダー3.0は、頂点シェーダーからテクスチャマップにアクセス (VTF) することができるため、ディスプレースメントマッピングなどが実現できる。Xbox 360 GPUの機能はほぼこのバージョンに準ずる。
Direct3D 9.0Ex
Windows Vista 以降に搭載された、Windows Display Driver Model (WDDM) に対応するように変更が施されたバージョン。Vistaのデスクトップ描画 (Windows Aero ) にはこのD3D 9Exが使用されている。Direct3D 10.0
共通層であるDirectX グラフィックス インフラストラクチャー (DXGI) を導入したバージョン。Windows Vista以降で動作する。ジオメトリシェーダーなどプログラマブルシェーダー4.0をサポートする一方、固定機能シェーダーおよびCaps (Capabilities) ビットなどを廃止し、またDirect3D 10非対応のハードウェア上では動作しない。
Windows Vista（コードネームLonghorn）の開発中は、「Windows Graphics Foundation」(WGF) という新しいグラフィックスサブシステムのサポートレベルとして、Direct3D 9を「WGF 1.0」、Direct3D 10を「WGF 2.0」と呼んで区別していた[ 31]
Direct3D 10.1
Direct3D 10.0のマイナーチェンジ。Windows Vista SP1以降で動作する。CapsビットがFeature Levelの形で限定的に復活し、ハードウェアの対応度に応じたFeature Levelで動作させることができる。プログラマブルシェーダー4.1をサポートする。DXGI 1.1に対応したWindows 7 のデスクトップ描画にはこのD3D 10.1が使用されている[ 32] Direct2D は、このD3D 10.1上に構築された高レベルラッパーライブラリである。
Direct3D 11.0
Windows Vista SP2 Platform UpdateおよびWindows 7以降で動作する。DXGIのバージョンは1.1となる[ 33] テッセレーション （サブディビジョンサーフェイス ）を実現するステージとして、新たにハルシェーダー・テッセレータ・ドメインシェーダーが追加されている。また、GPGPU 用途のシェーダーステージとして、コンピュートシェーダー (DirectCompute ) が追加されている。ハルシェーダーおよびドメインシェーダーはDirect3D 11対応のGPUでなければ使用できないが、コンピュートシェーダーは制限付きでDirect3D 10.x世代のGPUでも実行可能である[ 34]
Direct3D 11.1
Direct3D 11.0のマイナーチェンジ。Windows 8 に標準搭載されている。DXGIのバージョンは1.2となる[1] 。なお、Windows 8に標準搭載される、新しいバージョンのDirect2D (D2D 1.1) は、このD3D 11.1上に構築された高レベルラッパーライブラリである[2] 。シェーダーモデルのバージョンは11.0と同じく5.0となる[3] 。Direct3D 11.1は機能追加よりも性能強化に重点が置かれたマイナーバージョンアップとなっている。また、Direct3D 11はWindows 7リリース後にWindows Vistaに対して完全な形でバックポートされたが、Direct3D 11.1のWindows 7へのバックポートは完全ではなく、限定的な形にとどまっている[ 35]
Direct3D 11.2
Direct3D 11.1のマイナーチェンジ。Windows 8.1 およびXbox One に標準搭載される[4] 。DXGIのバージョンは1.3となる[5] 。Windows 8.1に標準搭載される、新しいバージョンのDirect2D (D2D 1.2) は、このD3D 11.2上に構築された高レベルラッパーライブラリである[6] 。Direct3D 11.2はタイルリソース（いわゆるメガテクスチャ）などをサポートする[7] 。なお、Direct3D 11.2はWindows 8およびそれ以前のOSにはバックポートされていない。
Direct3D 11.3
Direct3D 12に搭載される新機能は、同時期に提供される従来からの高レベルAPIのマイナーチェンジとなるDirect3D 11.3にも搭載される[ 36] [ 37] [ 38] [ 39]
Direct3D 11.4
Windows 10 November 2015 Update (version 1511, build 10586) にてDXGI 1.5とともに導入された[ 40]
Direct3D 12
高レベルだがオーバーヘッドの大きかったDirect3D 11までと比べて、Direct3D 12はよりハードウェアに近いローレベルな制御を可能とするAPIとなった[ 41] Windows 10 のほか、Xbox OneおよびWindows Phoneにも対応予定[ 42]
Windows 10 Anniversary Update (version 1607, build 14393) にてWDDM 2.1が導入され、Direct3D 12も更新された[ 43] UWP アプリケーションにおける可変リフレッシュレートのサポートも追加されている[ 44]
Windows 10 October 2018 Update (version 1809, build 17763) にて、DirectX Raytracing （英語版 ）
2019年3月、一部のゲームに関して、Windows 7上でDirectX 12 (Direct3D 12) を動作させるためのユーザーモードのランタイムがマイクロソフトから提供されることになった[ 45] NuGet パッケージが一般公開された[ 46]
Wine では、Unix系 OSでOpenGL をバックエンドに用いてDirect3D APIを実装している。オープンソースのグラフィックスライブラリMesa では、OpenGLを経由しないDirect3Dのネイティブ実装（Gallium NineによるDirect3D 9のネイティブ実装、Gallium3D によるDirect3D 10/11のネイティブ実装[ 47] Vulkan 上にDirect3D 12 APIを実現している[ 48] [ 49] [ 50] [ 51]
Direct3D 12上に構築された、Direct3D 9のユーザーモードドライバーインターフェイス（DDI）の実装を提供するD3D9On12のソースコードがマイクロソフトによって公開されている[ 52]
^ Direct3D 7以前のためのデータ型が定義されているヘッダーファイル d3dtypes.h は、Direct3D 8以降を利用するコードではインクルードできない。
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