Vorgeschichte und MS-DOS

Nachdem sich seit Ende der 1980er Jahre der IBM (kompatible) PC mit dem Betriebssystem MS-DOS als „Computer für Jedermann“ durchgesetzt hatte, begann ein paar Jahre später auch der Siegeszug der grafischen Benutzeroberfläche Microsoft Windows. In den 1990ern wurden die verbreiteten Anwendungen zunehmend für Microsoft Windows portiert, und viele neue Anwendungen wurden exklusiv für Windows mithilfe der WinAPI entwickelt. Einzige Ausnahme blieben Computerspiele, die anfangs zwar vorwiegend auf den mit besseren Multimediafähigkeiten bestückten Heimcomputern erschienen, aber auch mehr und mehr auf dem PC Einzug hielten.

Windows bot zu diesem Zeitpunkt noch keine optimierten Programmier-Schnittstellen für schnelle Grafik- und Audio-Operationen, die aber für Spiele meist unabdingbar sind. Deshalb wurden Spiele meist nur für MS-DOS entwickelt. MS-DOS bot zwar auch keine speziell für Spiele entworfenen Schnittstellen, aber es erlaubte die völlige Kontrolle über den Prozessor und den ungehinderten Zugriff auf die gesamte angeschlossene Hardware. Vor allem konnte ein Programm unter MS-DOS sicher sein, nicht von anderen gleichzeitig auf demselben Rechner laufenden Programmen behindert zu werden, weil unter dem Single-Task-System MS-DOS immer nur ein einziges Programm laufen kann. Im Gegensatz dazu müssen Programme unter Multitasking-Systemen wie Windows auf andere Programme Rücksicht nehmen, die auf demselben Rechner simultan laufen. Microsoft schenkte der Entertainment-Branche und Unterhaltungsmedien wie Computerspielen zu diesem Zeitpunkt noch wenig Beachtung.

Siegeszug der 3D-Grafik

Nach dem einschlagenden Erfolg des Computerspiels Doom von der Firma id Software, die schon vorher mit Wolfenstein 3D gezeigt hatte, welches technische Potenzial in den eigentlich vorrangig für Büroarbeit verwendeten „IBM-kompatiblen PCs“ steckt, begann sich Microsoft für das Unterhaltungssegment zu interessieren. Dem System Windows 95 – das genau wie seine Vorgänger bei Erscheinen noch über keine Programmierschnittstelle für Spiele verfügte – wollte Microsoft nachträglich eine Schnittstelle hinzufügen, um den wachsenden Markt der PC-Spieler von MS-DOS wegzulocken und hin zu Windows 95. DOS wurde als bessere Plattform angesehen, weil es den direkten Zugriff auf Grafikkarten, Maus, Tastatur und Soundgeräte ermöglichte. Windows 95 schränkte den Zugang zu all diesen Komponenten aufgrund seines geschützten Speichermodells ein. Microsoft benötigte folglich einen Weg, um den Programmierern den gleichen Zugriff auf diese Geräte unter dem neuen Betriebssystem Windows 95 zu ermöglichen. Diese erste Schnittstellen-Version nannte Microsoft „Game SDK“. Sie bestand lediglich aus einer Handvoll Funktionen, mit denen Grafiken direkt in den Grafikspeicher geblittet werden konnten. Diese erste Schnittstellen-Version wurde von der Spieleindustrie, die jahrelang für MS-DOS entwickelt und dort Erfahrung gesammelt hatte, nicht weiter beachtet.

Parallel dazu entwickelte Microsoft WinG, eine Bibliothek mit gleichem Ansatz, jedoch bevorzugt für den 256-Farben-Modus. Diese Bibliothek kam zum Beispiel in „Lemmings for Windows“ zum Einsatz und war auch unter der Benutzeroberfläche Windows für Workgroups 3.11 verfügbar.

Einen weiteren Anlauf unternahm Microsoft mit DirectX (Version 1.0). Microsoft konnte id Software dazu bewegen, eine Portierung ihres erfolgreichen Spiels „Doom“ mit dieser API für Windows 95 zu entwickeln. Diese Spiel-Portierung wurde von Microsoft auf einer Messe präsentiert, um Entwickler aus aller Welt dazu zu bringen, mit DirectX direkt für den De-facto-Standard Windows 95 zu entwickeln statt für MS-DOS.

Aber auch dieser Versuch scheiterte zunächst, da Microsoft den Aufwand weit unterschätzte, der für eine brauchbare Programmbibliothek mit auf Spiele optimierten Grafik- und Sound-Funktionen nötig war. Noch Jahre später kamen Spiele auf den Markt, die eigentlich durchgängig Protected-Mode-DOS-Spiele waren und höchstens ein paar zusätzliche Hilfsprogramme (z. B. Editoren) für Windows mitbrachten oder nur die Autoplay-Funktionalität von Windows nutzten.

DirectX 2.0 bis 9.29

Seit DirectX in Version 2.0 auch 3D-Funktionalität in Form der Komponente Direct3D mitbrachte, gelangte es mit Version 3.0 zu einer gewissen Reife und wurde allmählich auch von Entwicklern ernst genommen. Mit ihm erschienen auch die ersten Spiele, die nur noch unter Windows mit DirectX und nicht mehr unter MS-DOS liefen, zum Beispiel Diablo.

Während der Entwicklung von DirectX 4.0 stellte sich heraus, dass viele Programmierer auf Funktionalitäten warteten, die erst für Version 5 vorgesehen waren. Also beschloss man, die wenigen Veränderungen von DirectX 4 nicht zu veröffentlichen, sondern direkt in die darauffolgende Version einzubauen. DirectX 6.0 unterstützte erstmals Multitexturing und Bumpmapping. Ab Version 7 gehören Transform and Lighting und Cubic Environment Mapping (CubeMaps) zum Funktionsumfang. Das T&L-Paket wurde in der darauffolgenden Version deutlich ausgebaut und um Funktionen wie Triangle Tessellation erweitert. Dazu kamen außerdem frei programmierbare Vertex- und Pixel-Shader.

DirectX 8 deckte viele Gebiete der Multimedia- und Spiele-Programmierung ab, wie 2D- und 3D-Grafik, Ton und Musik, Video/Capturing, Eingabe (und über Force Feedback auch „Ausgabe“ auf eigentlichen Eingabegeräten) und Netzwerk (siehe unten).

DirectX 9.0 erschien im Dezember 2002. Es bot als große Neuerung die „High Level Shading Language“ (HLSL), womit Entwickler leichter 3D-Grafiken und Effekte erstellen konnten. HLSL bot für Entwickler eine flexible und leicht zu bedienende Entwicklungsumgebung und war dabei zu allen DirectX-fähigen Grafikkarten kompatibel, um die Anpassung auf die Hardware-Eigenheiten zu vereinfachen. Eine weitere Neuerung war eine Bibliothek, die Patch-Meshes und herkömmliche Polygon-Meshes sowie verbesserte Echtzeit-Animationen bot. Alle Direct3D-APIs enthielten erweiterte Programmfähigkeiten bei Low-Level-Grafiken mit programmierbaren Vertex- und Pixel-Shader-2.0-Modellen. Microsoft implementierte in DirectX 9.0 neue Assistenten zur Erzeugung von DirectX Media Objects (DMOs), für Audio-Effekte und für DirectMusic-Werkzeuge beim MIDI-Processing.

Die Version DirectX 9.0c wurde im August 2004 als aktualisierte Version veröffentlicht. Nach Aussage von Microsoft ist die Unterstützung für DirectX 9 für die nächsten Jahre in jedem Falle gesichert, auch wenn Windows Vista und DirectX 10/10.1 in der Praxis zum Einsatz kommen. Im Juni 2010 veröffentlichte Microsoft die aktualisierte Version 9.29, welche laut dxdiag aber weiterhin DirectX 9.0c entspricht.

DirectX 10

Die Version DirectX 10.0 erschien Anfang 2007. Anders als die Vorgänger läuft diese nur unter den Betriebssystemen Windows Vista und Windows 7. Zusätzlich muss im Computer eine für DirectX 10.0 taugliche Grafikkarte eingebaut sein.

Unter den Systemen Windows 98, Me, 2000, XP oder Server 2003 steht weiterhin nur DirectX 9.0c zur Verfügung.

Im April 2007 erschienen Meldungen, wonach die neuen Direct3D-10-Funktionen über eigene Bibliotheken auch auf anderen Windows-Versionen nutzbar seien. Das Unternehmen hinter diesem Projekt hat das Vorhaben inzwischen aber eingestellt und den Quelltext veröffentlicht.

Neu an Version 10 ist nur Direct3D 10, das das neue Windows Display Driver Model und Shader Model 4 benutzt, kombiniert mit strengeren Regeln für die Hersteller von Grafikkarten, die die Direct3D-10-Kompatibilität für sich in Anspruch nehmen möchten.

Ab Direct3D 10 werden bis auf wenige Ausnahmen keine cap-bits mehr verwendet, anhand derer Programme feststellen können, welche Funktionen die Hardware zur Verfügung stellt. Daher muss Direct3D 10 und jede folgende Version neue Funktionen immer in Form von Mindestanforderungen einführen. Damit kommt Microsoft den Spieleentwicklern entgegen, da diese die Hardware bisher auf eine Vielzahl an möglichen Funktionskombinationen abfragen mussten. Dagegen werden Hardwarehersteller nun dazu gezwungen, bestimmte Funktionen zu implementieren, um kompatibel mit der jeweiligen Direct3D-Version zu sein. Dadurch wird die Fähigkeit der Hardwareproduzenten eingeschränkt, sich durch optionale Komponenten von Wettbewerbern abzuheben.

Direct3D 10 unterscheidet sich von seinen Vorgängern weniger durch direkt sichtbare Eigenschaften als vielmehr durch Erweiterung, Modularisierung und Flexibilisierung der 3D-Funktionen.

DirectX 10.1

DirectX 10.1 wurde zusammen mit Windows Vista SP1 ausgeliefert und enthält gegenüber DirectX 10 folgende Änderungen, die die Direct3D-API betreffen:

• Shader Model 4.1
• vierfaches Antialiasing mit veränderbaren Subpixel-Mustern
• Unterstützung für durchgängiges Rechnen mit 32-Bit-Gleitkommazahlen
• dynamisch adressierbare Cubemap-Arrays
• Rendern in blockkomprimierte Framebuffer

Falls eine Grafikkarte eine dieser Funktionen nicht beherrscht, kann sie keine Direct3D-10.1-Schnittstelle anbieten, und die Applikation muss auf Direct3D 10 zurückfallen.

Zusätzlich wird XAudio2 als Ersatz für DirectSound eingeführt.

DirectX 11

Microsoft hatte bereits auf der Messe Gamefest (22. bis 23. Juli 2008) in Seattle neue Details zu DirectX 11 offiziell enthüllt.

Grundsätzlich sollen alle Grafikkarten, die mit DirectX 10.x kompatibel sind, auch unter DirectX 11 eine vollständige Kompatibilität erreichen (was neue Funktionen von DirectX 11 auf älterer Hardware ausschließt).

Wesentliche Neuerungen sind:

• Shader Model 5, mit dem die sogenannten „Compute Shaders“ eingeführt werden, womit Microsoft die GPGPU-Programmierung vereinheitlichen möchte.
• Grafikkartenseitige Unterteilung der von der CPU gelieferten Dreiecke in weitere Dreiecke (Tessellation), durch die der Detailgrad von 3D-Szenen ohne Belastung des restlichen Systems erhöht werden kann. Diese Technik wird von allen AMD-Grafikkarten ab der HD-5XXX Serie sowie von allen Nvidia-Grafikkarten ab der GeForce-GTX-4XX-Serie unterstützt.
• Thread-Unterstützung der Rendering-Pipeline verbessert, insbesondere in Hinblick auf effizientere GPGPU-Programmierung.

DirectX 11 ist als Teil von Windows 7 im vierten Quartal 2009 erschienen. Für Windows Vista startete Microsoft die Auslieferung von DirectX 11 am 28. Oktober 2009 zunächst per Windows Update.

Der technische Entwicklungsleiter für den Grafikbereich bei AMD teilte in einer Rede in Reykjavík mit, dass schon im ersten Quartal 2009 die voraussichtlich erste DirectX-11-Grafikkarte auf den Markt kommen sollte. Dies war allerdings erst mit dem Erscheinen der ATI-Radeon-HD-5000-Serie der Fall, die zu Anfang des vierten Quartals 2009 auf den Markt kam. Zudem wurden im DirectX SDK von November 2008 die ersten DirectX-11-Beispiele gezeigt.

DirectX 12

Microsoft hat DirectX 12 auf der Game Developers Conference in San Francisco am 20. März 2014 vorgestellt. Ähnlich wie AMDs Mantle bietet DirectX 12 hardwarenähere Programmierung, so soll die CPU-Last („Overhead“) verringert werden. DirectX 12 soll unter anderem auf allen DirectX-11-fähigen Grafikkarten sowie Mobilgeräten und der Xbox One funktionieren. Die ersten Spiele mit DirectX-12-Unterstützung wurden für Ende 2015 erwartet. DirectX 12 wird für Raytracing auf kompatiblen Nvidia-RTX-Grafikkarten benötigt.

DirectX 12 Ultimate

Am 19. März 2020 wurde von Microsoft im DirectX Developer Blog mit DirectX 12 Ultimate eine neue DirectX-Entwicklungsstufe angekündigt. Unter DirectX 12 Ultimate fasst Microsoft im Grunde mehrere, teilweise bereits existierende, Techniken zusammen und macht die Unterstützung verpflichtend für Hersteller, die ihre Produkte mit dem neuen Standard bewerben möchten. Im Einzelnen sind dies DirectX Raytracing 1.1, Variable Rate Shading, Mesh Shaders und Sampler Feedback. Um alle neuen Features nutzen zu können, ist eine NVIDIA-Grafikkarte ab GeForce-20-Serie oder eine AMD-Grafikkarte basierend auf der RDNA-2-Architektur nötig. Die Xbox Series X ist die einzige Videospielkonsole, die DirectX 12 Ultimate unterstützt, Sonys PlayStation 5, die zwar auch auf AMD-Hardware, basierend auf RDNA-2-Architektur, setzt, fehlt es an softwareseitiger Unterstützung, da der japanische Hersteller andere Grafik-APIs einsetzen wird.

Versionshistorie

Anmerkungen:

1. DirectX 4 wurde nie veröffentlicht. Raymond Chen erklärt in seinem Blog The Old New Thing und seinem gleichnamigen Buch, dass, nachdem DirectX 3 veröffentlicht worden war, Microsoft die Entwicklung von 4 und 5 parallel begann. Version 4 sollte eine kleinere Anpassung sein, 5 mit größeren Änderungen. Mangelndes Interesse von Seiten der Entwickler für die Neuheiten der Version 4 führten dazu, dass direkt Version 5 veröffentlicht wurde.
2. Die Versionsnummer, die von Microsofts DxDiag-Tool (Version 4.09.0000.0900 und höher) gezeigt wird, nutzt das Format „x.xx.xxxx.xxxx“ für Versionsnummern. Jedoch wird in der Registry das Format „x.xx.xx.xxxx“ verwendet. Es kann also sein, dass zu der oben gelisteten Version „4.09.00.0904“ in DxDiag als „4.09.0000.0904“ angezeigt wird.

DirectX Graphics

DirectX Graphics ist der am meisten genutzte Teil von DirectX. Er ermöglicht einen schnellen und direkten Zugriff auf die Grafikkarte, vorbei am Graphics Device Interface (GDI) und Display Device Interface (DDI), und unterstützt (mit „Direct2D“) 2D- und (mit „Direct3D“) 3D-Grafik.

DirectX Graphics stellt sowohl eine Low-Level-API (Direct3D) als auch eine High-Level-API (Direct3DX) bereit. Die Low-Level-API Direct3D eignet sich für Anwendungen mit hoher Interaktionsrate oder Präsentationsfrequenz komplexer grafischer Szenen, wie beispielsweise bei 3D-Spielen. Bis zur Version 7 wurden bei der Low-Level-API zwischen 2D-Grafik (DirectDraw) und 3D-Grafik (Direct3D) unterschieden. Durch eine Überarbeitung des Grafikbereichs (in Version 8) wurden beide Teile unter einer einheitlichen API in Direct3D zusammengefasst. Die explizite, eigenständige Weiterentwicklung von DirectDraw wurde damit eingestellt.

Die High-Level-API Direct3DX ermöglicht es hingegen, mit vertretbarem Aufwand 3D-Anwendungen zu realisieren. Direct3DX setzt auf Direct3D auf, das heißt, es nutzt dessen Basisfunktionalität.

Außerdem emuliert die Funktionsgruppe nicht durch die Hardware unterstützte Funktionen. Dafür nutzt der Hardware Emulation Layer (HEL) die Möglichkeiten von MMX-Prozessoren zur Manipulation von Bildern und greift auf Funktionen des GDI zurück. Unterstützt werden unter anderem Seitenumschaltung (Flipping) (siehe Doppelpufferung), Blitting, Clipping, 3D-Z-Puffer, Overlays und direkte Steuerung des Datenflusses durch die Video-Port Hardware (Video-Port Manager).

DirectSetup

DirectSetup ermöglicht Programmierern, ihre Installationsroutine automatisch überprüfen zu lassen, ob die benötigte DirectX-Version bereits installiert ist, und diese andernfalls zu installieren.

XAudio2

XAudio2 basiert auf der Xbox-360-Sound-API und hat DirectSound abgelöst. Die programmierbaren DSP-Programme ermöglichen EAX-ähnliche Effekte auf allen Tonausgabe-Geräten (ugs. mitunter als „Sound-Karte“ bezeichnet, auch wenn es meist nur Bauteile auf der Hauptplatine sind); diese werden allerdings auf dem Hauptprozessor ausgeführt. Dies hat vor allem Kritik seitens des Herstellers Creative hervorgerufen, weil auf dessen Chips bzw. Karten solche DSP-Programme „in Hardware“ ausgeführt werden könnten, um Spielern somit einen Geschwindigkeitsvorteil zu bieten (durch Entlastung der CPU).

XInput

XInput ist der neue Standard für Eingabegeräte unter Windows XP und späterer Betriebssysteme sowie für die Xbox 360. XInput ignoriert alle älteren DirectInput-Geräte, wodurch ältere Joysticks und Joypads nur durch Simulation über Wrapper-Programme in den verschiedenen Spielen und Anwendungen funktionieren können. Bislang ist keine Lösung für dieses Problem von Microsoft bekannt, weshalb angenommen werden kann, dass das Unternehmen kein Interesse an einer weiteren Unterstützung solcher Geräte hat. Möchte man mit einem DirectInput-Controller XInput-Spiele betreiben, empfiehlt es sich, einen entsprechenden Emulator zu verwenden. Ob Microsoft in Zukunft reine DirectInput-Geräte mit XInput unterstützen wird, ist fraglich.

Veraltet

Die folgenden Komponenten waren in der Vergangenheit Teil von DirectX, werden mittlerweile aber nicht mehr unterstützt.