D3D12 二进制遮挡查询与 Predication 实战：解读 DirectX-Graphics-Samples 的 PredicationQueries 示例

• 示例工程

本篇指南以 DirectX-Graphics-Samples 仓库中Samples/Desktop/D3D12PredicationQueries示例为蓝本，系统讲解 Direct3D 12 中**二进制遮挡查询（Binary Occlusion Query）与预测（Predication）**的完整用法：从查询堆、查询结果缓冲等底层资源搭建，到BeginQuery/EndQuery/ResolveQueryData/SetPredication的逐帧调用链，再到 Root Signature 1.1 静态描述符优化与构建运行方式。读完本文，你将能够在自己项目中复现"上一帧查询、本帧条件绘制"的经典遮挡剔除流程。

示例总览：两个四边形如何演示查询与预测

该示例（说明见 readme.md）演示了 Direct3D 12 中二进制遮挡查询与预测的结合使用。场景非常简单但直击要点：渲染两个四边形，其中一个会来回动画并周期性遮挡另一个。每一帧执行一次二进制遮挡查询，并通过SetPredicationAPI 条件性地绘制可能被遮挡的四边形；当查询判定该四边形被完全遮挡时，利用透明度混合直观地展示这一结果。

从 Main.cpp 可以看到示例以 1280×720 窗口启动：

D3D12PredicationQueries sample(1280, 720, L"D3D12 Predication and Queries sample"); return Win32Application::Run(&sample, hInstance, nCmdShow);

场景中共有三份几何数据（见 D3D12PredicationQueries.cpp 的LoadAssets）：

注释明确说明"Geometry will be rendered back-to-front to support transparency in the scene"，即为了支持透明度，几何按从后到前的顺序绘制。

前置概念：二进制遮挡查询与 Predication

• 遮挡查询（Occlusion Query）：向 GPU 提交一段几何体绘制，由硬件统计该几何体在深度测试中有多少像素通过。二进制查询只关心"有没有任何像素通过"：结果0 表示被完全遮挡（没有任何样本通过深度测试），1 表示可见（至少一个样本通过）。
• 预测（Predication）：与查询"问问题"不同，Predication 是"用答案做决定"——SetPredication把一个查询结果缓冲区绑定到命令列表中，其后的绘制/复制命令会根据谓词值决定是否执行。D3D12_PREDICATION_OP_EQUAL_ZERO表示当谓词值等于 0 时执行后续命令。
• 一帧延迟：查询结果需要 GPU 执行完后才能回读，因此示例在上一帧执行查询并解析到缓冲区，当前帧用其结果驱动远四边形的条件绘制（代码注释："Draw the far quad conditionally based on the result of the occlusion query from the previous frame"）。

从零搭建查询基础设施

1. 创建查询堆（Query Heap）

在LoadPipeline中，示例创建了一个容量为 1 的遮挡类型查询堆：

D3D12_QUERY_HEAP_DESC queryHeapDesc = {}; queryHeapDesc.Count = 1; queryHeapDesc.Type = D3D12_QUERY_HEAP_TYPE_OCCLUSION; ThrowIfFailed(m_device->CreateQueryHeap(&queryHeapDesc, IID_PPV_ARGS(&m_queryHeap)));

Count为查询槽位数量，Type决定了可用的查询类型——D3D12_QUERY_HEAP_TYPE_OCCLUSION支持二进制遮挡查询（D3D12_QUERY_TYPE_BINARY_OCCLUSION）和整型遮挡查询。对应成员声明见 D3D12PredicationQueries.h 中的ComPtr<ID3D12QueryHeap> m_queryHeap;。

2. 创建查询结果缓冲

查询结果必须落在一个8 字节的缓冲中（二进制遮挡查询结果占 1 个BOOL，但缓冲需按 8 字节对齐创建），并且创建时直接置于D3D12_RESOURCE_STATE_PREDICATION状态——这正是SetPredication读取该缓冲所需的资源状态：

D3D12_RESOURCE_DESC queryResultDesc = CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(8); ThrowIfFailed(m_device->CreateCommittedResource( &CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_DEFAULT), D3D12_HEAP_FLAG_NONE, &queryResultDesc, D3D12_RESOURCE_STATE_PREDICATION, nullptr, IID_PPV_ARGS(&m_queryResult)));

3. 两个 PSO：普通管线与查询专用管线

同一个 PSO 描述在创建后会被复用两次：先创建m_pipelineState（正常绘制，开启 alpha 混合以便可视化查询结果），随后关闭颜色写入和深度写入再创建m_queryState——查询绘制只需要"让深度测试发生"，不需要产生任何可见像素：

psoDesc.BlendState.RenderTarget[0].RenderTargetWriteMask = 0; psoDesc.DepthStencilState.DepthWriteMask = D3D12_DEPTH_WRITE_MASK_ZERO; ThrowIfFailed(m_device->CreateGraphicsPipelineState(&psoDesc, IID_PPV_ARGS(&m_queryState)));

这里还体现了两个值得注意的实践：

• 顶点输入布局包含POSITION（R32G32B32_FLOAT）与COLOR（R32G32B32A32_FLOAT，偏移 12 字节）；
• 混合状态采用标准源 alpha 混合D3D12_BLEND_SRC_ALPHA / D3D12_BLEND_INV_SRC_ALPHA，这正是半透明近四边形能"透过"看到远处几何的原因。

核心渲染流程逐行拆解

整个查询与预测逻辑集中在PopulateCommandList（D3D12PredicationQueries.cpp），可以分为三个紧密衔接的阶段。

阶段一：用上一帧查询结果条件绘制远四边形

// Draw the far quad conditionally based on the result of the occlusion query // from the previous frame. m_commandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(0, cbvFarQuad); m_commandList->SetPredication(m_queryResult.Get(), 0, D3D12_PREDICATION_OP_EQUAL_ZERO); m_commandList->DrawInstanced(4, 1, 0, 0);

SetPredication的三个参数分别为：谓词缓冲资源、缓冲内字节偏移（此处为 0）、谓词操作。EQUAL_ZERO意味着：当缓冲中值等于 0（远四边形完全被遮挡）时执行随后的DrawInstanced——配合半透明近四边形，被遮挡时白色远四边形会在其后透出，形成混色视觉效果，这正是 readme 所说"transparency effect is used to illustrate when the query determines that the quad is fully occluded"。

阶段二：解除预测，无条件绘制近四边形

// Disable predication and always draw the near quad. m_commandList->SetPredication(nullptr, 0, D3D12_PREDICATION_OP_EQUAL_ZERO); m_commandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(0, cbvNearQuad); m_commandList->DrawInstanced(4, 1, 4, 0);

把谓词缓冲设为nullptr即关闭预测，此后命令无条件执行。注意两个DrawInstanced的起始顶点索引不同（0 与 4），对应顶点缓冲中不同段的四边形。

阶段三：执行查询并解析结果

// Run the occlusion query with the bounding box quad. m_commandList->SetPipelineState(m_queryState.Get()); m_commandList->BeginQuery(m_queryHeap.Get(), D3D12_QUERY_TYPE_BINARY_OCCLUSION, 0); m_commandList->DrawInstanced(4, 1, 8, 0); m_commandList->EndQuery(m_queryHeap.Get(), D3D12_QUERY_TYPE_BINARY_OCCLUSION, 0);

先切换为"不写颜色/深度"的查询管线，在BeginQuery与EndQuery之间绘制包围盒四边形（起始顶点索引 8）。深度测试在此刻真实发生，其结果即为远四边形本帧的可见性。

随后通过资源屏障把查询结果缓冲从D3D12_RESOURCE_STATE_PREDICATION切换到D3D12_RESOURCE_STATE_COPY_DEST，调用ResolveQueryData将 GPU 查询结果写入缓冲，再切回PREDICATION状态供下一帧SetPredication读取：

m_commandList->ResourceBarrier(1, &CD3DX12_RESOURCE_BARRIER::Transition( m_queryResult.Get(), D3D12_RESOURCE_STATE_PREDICATION, D3D12_RESOURCE_STATE_COPY_DEST)); m_commandList->ResolveQueryData(m_queryHeap.Get(), D3D12_QUERY_TYPE_BINARY_OCCLUSION, 0, 1, m_queryResult.Get(), 0); m_commandList->ResourceBarrier(1, &CD3DX12_RESOURCE_BARRIER::Transition( m_queryResult.Get(), D3D12_RESOURCE_STATE_COPY_DEST, D3D12_RESOURCE_STATE_PREDICATION));

至此形成完整闭环：本帧查询 → 解析 → 下一帧条件绘制。此外，三个阶段分别用PIXBeginEvent（"Draw potentially occluded geometry"、"Draw animating geometry"、"Execute occlusion query"）做了标注，配合 PIX 可逐段分析 GPU 工作负载。

动画逻辑：近四边形周期性遮挡

OnUpdate中，近四边形的 x 偏移每帧增加0.01f，到达1.5f边界后回绕到-1.5f，实现往复移动；随后把对应常量缓冲内容拷入上传堆中的帧专属区域（每个几何体一份独立常量缓冲，CbvCountPerFrame = 2）：

const float translationSpeed = 0.01f; const float offsetBounds = 1.5f; // Animate the near quad. m_constantBufferData[1].offset.x += translationSpeed; if (m_constantBufferData[1].offset.x > offsetBounds) { m_constantBufferData[1].offset.x = -offsetBounds; } UINT cbvIndex = m_frameIndex * CbvCountPerFrame + 1; UINT8* destination = m_pCbvDataBegin + (cbvIndex * sizeof(SceneConstantBuffer)); memcpy(destination, &m_constantBufferData[1], sizeof(SceneConstantBuffer));

近四边形在-1.5 ~ 1.5区间内掠过远四边形（±0.25范围），从而周期性触发"完全遮挡 → 查询结果为 0 → 谓词命中"的演示状态。常量缓冲结构在 D3D12PredicationQueries.h 中定义，注意其FLOAT padding[60]注释：常量缓冲需 256 字节对齐，填充是为了让多个缓冲可按数组索引寻址。

对应的 shaders.hlsl 非常精简——顶点着色器把常量缓冲中的offset叠加到顶点位置上，像素着色器直接输出顶点色：

cbuffer SceneConstantBuffer : register(b0) { float4 offset; }; PSInput VSMain(float4 position : POSITION, float4 color : COLOR) { PSInput result; result.position = position + offset; result.color = color; return result; } float4 PSMain(PSInput input) : SV_TARGET { return input.color; }

配合 Root Signature 1.1 的静态描述符优化

readme 的Optional features一节说明了本示例的另一个亮点：示例已更新为基于Windows 10 Anniversary Update SDK构建，该 SDK 为 Direct3D 12 提供了新版 Root Signature。Root Signature 1.1允许应用声明"描述符堆中的描述符不会改变"或"描述符指向的数据不会改变"，从而给驱动提供在"描述符或其所指内存在一段时间内保持静态"这一前提下进行优化的机会。

源码中这一机制落地为一段完整的版本协商 + 静态标志代码：

D3D12_FEATURE_DATA_ROOT_SIGNATURE featureData = {}; featureData.HighestVersion = D3D_ROOT_SIGNATURE_VERSION_1_1; if (FAILED(m_device->CheckFeatureSupport(D3D12_FEATURE_ROOT_SIGNATURE, &featureData, sizeof(featureData)))) { featureData.HighestVersion = D3D_ROOT_SIGNATURE_VERSION_1_0; } CD3DX12_DESCRIPTOR_RANGE1 ranges[1]; CD3DX12_ROOT_PARAMETER1 rootParameters[1]; ranges[0].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV, 1, 0, 0, D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_FLAG_DATA_STATIC); rootParameters[0].InitAsDescriptorTable(1, &ranges[0], D3D12_SHADER_VISIBILITY_VERTEX);

要点拆解：

• 能力协商：先请求D3D_ROOT_SIGNATURE_VERSION_1_1，通过CheckFeatureSupport检测失败则回退到D3D_ROOT_SIGNATURE_VERSION_1_0，保证在旧驱动上也能运行；
• 静态声明：D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_FLAG_DATA_STATIC告诉驱动"该描述符指向的数据在整个根签名有效期内不会改变"，这是 1.1 新增的优化信号（示例中常量缓冲每帧更新，但根签名本身持续复用，因此数据静态声明是安全的）；
• 版本化描述：用CD3DX12_VERSIONED_ROOT_SIGNATURE_DESC::Init_1_1构造描述，再经D3DX12SerializeVersionedRootSignature序列化为字节码创建根签名；
• 管线阶段收敛：根签名标志同时声明DENY_HULL/DOMAIN/GEOMETRY/PIXEL_SHADER_ROOT_ACCESS，仅允许顶点着色器访问，配合D3D12_SHADER_VISIBILITY_VERTEX限制描述符表可见性，减少驱动需要维护的状态。

这是把"新版根签名 + 静态数据声明"用于实际渲染管线的完整范例，也是 readme 中 optional feature 的源码级印证。

构建与运行

示例工程文件为 D3D12PredicationQueries.vcxproj，支持Debug/Release × x64/ARM64四种配置，链接dxgi.lib; d3d12.lib; d3dcompiler.lib; dxguid.lib并延迟加载d3d12.dll。构建层面的几个关键点：

• 着色器编译：工程通过自定义构建步骤调用dxc.exe（来自 NuGet 包Microsoft.Direct3D.DXC.1.8.2505.32），分别以vs_6_0和ps_6_0目标编译VSMain/PSMain，输出shaders_VSMain.cso与shaders_PSMain.cso，随后由应用在运行时通过ReadDataFromFile读取：

dxc.exe -nologo -Tvs_6_0 -E"VSMain" -Zi -Qembed_debug -Fo"$(OutDir)shaders_VSMain.cso" shaders.hlsl dxc.exe -nologo -Tps_6_0 -E"PSMain" -Zi -Qembed_debug -Fo"$(OutDir)shaders_PSMain.cso" shaders.hlsl

• D3D12 SDK 版本：源文件顶部导出了D3D12SDKVersion = 618与D3D12SDKPath = u8".\\D3D12\\"，指示 D3D12 SDK 加载器使用本地.\D3D12\目录下对应版本的 SDK 运行库；NuGet 包Microsoft.Direct3D.D3D12.1.618.3提供配套的构建属性与目标。
• PIX 集成：工程引用WinPixEventRuntime.1.0.240308001，配合代码中的PIXBeginEvent/PIXEndEvent可在 PIX 中分析渲染事件。
• 运行参数：应用支持命令行加/warp（或-warp）强制使用 WARP 软件设备（解析逻辑见 DXSample.cpp 的ParseCommandLineArgs），无 D3D12 硬件时也可观察行为；设备创建请求的功能级别为D3D_FEATURE_LEVEL_11_0。

环境前提方面：readme 说明示例面向 Windows 10 Anniversary Update SDK（Root Signature 1.1 在该 SDK 中可用）；仓库主分支 README.md 要求 Windows 10 2004 及以上版本搭配 Visual Studio 2019 与 Windows 10 SDK 19041 构建。Debug 构建下代码会启用 D3D12 调试层与DXGI_CREATE_FACTORY_DEBUG（需要系统安装 Graphics Tools 可选功能），并调用DXGIDeclareAdapterRemovalSupport；运行期若遇到DXGI_ERROR_DEVICE_REMOVED/RESET，示例会通过RestoreD3DResources重建全部 D3D 资源。

关键文件索引

• 示例说明文档：二进制遮挡查询 + Predication 概述与 Root Signature 1.1 optional feature 说明
• 主实现：查询堆/结果缓冲创建、双 PSO、谓词绘制与查询解析的完整调用链
• 类声明：资源成员、SceneConstantBuffer对齐结构、帧计数常量
• 着色器：常量缓冲偏移驱动的顶点变换与纯色输出
• 工程文件：dxc 编译命令、NuGet 依赖与链接配置
• 应用入口 与 通用框架：窗口创建、适配器枚举、/warp参数解析
• 仓库顶层说明：各 API 示例的组织方式与构建环境要求

• 示例工程