Vulkan入门：从基础概念到渲染流程详解

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Vulkan入门：从基础概念到渲染流程详解

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https://www.cnblogs.com/ArsenalfanInECNU/p/18096919

Vulkan是新一代的图形API，相比传统的OpenGL和Direct3D，Vulkan提供了更底层的硬件访问能力，同时也带来了更高的开发难度。本文将从Vulkan的基本概念入手，详细介绍Vulkan的核心对象和使用方法，并分享一些学习和开发Vulkan的经验。

基本概念

要理解Vulkan，最重要的是理清Vulkan的各种对象的作用及其关联性。这些对象与实际使用的上层概念有一定距离，且关系较为复杂，只有深入理解这些基础概念，才能顺畅地使用Vulkan。

Queue

队列（Queue）是从Mantle世代API引入的概念，可以看作是对硬件执行流水线的抽象。通过提交任务来执行图形计算。简单来说，提交的内容在一个队列上只能按顺序执行。GPU的并行执行并不是像多线程那样可以随意fire多个task，而是按照一定的规则排列。

QueueFamily与Queue：QueueFamily（队列家族）包含若干个Queue。常见的QueueFamily有三种：Graphic、Compute和Transfer。Graphic队列通常功能最全面，包含的Queue数量也最多；Compute队列不支持Graphic相关功能；Transfer队列专门用于数据上传。这种分类不是绝对的，具体取决于硬件提供的QueueFamily数量和支持的功能。Vulkan中单个Queue禁止同一时间被多个线程操作，因此申请多个Queue可以实现多线程Submit。

Command

录制使用的对象是Command Pool和Command Buffer。录制过程类似于push_back操作，每次调用vkCmd开头的函数都会向Command Buffer中添加内容。Command Buffer在CPU还是GPU上取决于硬件和驱动实现，对Vulkan程序员来说是透明的。录制完成后，可以将Command Buffer提交给Queue执行。

Buffer

Vulkan主要有两种基本对象：Buffer和Image。Buffer用于存储顶点、索引和Uniform数据，而Image用于存储位图数据，即贴图。Buffer要真正使用还需要配备一个VkDeviceMemory。

Mesh

Mesh由Vertex Buffer和Index Buffer组成，每个Buffer都需要一个Memory对象。Vulkan教程中对这部分的解释已经很清晰。

Texture

VkImage除了需要VkDeviceMemory，还需要VkImageView和VkImageSampler。VkImageView相当于一个访问器，VkImage和VkImageView通常绑定在一起使用。VkImageSampler用于设置各向异性过滤、Mipmaps等采样参数，多个图像可以共享一个采样器。

Uniform

Uniform类似于Mesh，但需要特别注意内存对齐问题。不同编译器和平台生成的内存对齐模式可能不同，而Vulkan对传入的数据有对齐要求。这个问题在教程中有所提及，但容易被忽视。

Memory

在Vulkan中，GPU内存的管理交给了程序员。VkDeviceMemory对象代表分配的显存。这类似于C/C++中的手动内存管理，允许开发者实现更高级的分配策略。Vulkan不鼓励小分配，每个设备的分配次数都有上限，因此推荐使用子分配（suballocation）。可以使用现成的Vulkan Memory Allocator来简化内存管理。

Synchronization

Vulkan要求开发者手动处理同步问题：

Fence：用于CPU和GPU之间的同步，CPU可以通过等待Fence来知道GPU是否完成任务。
Semaphore：用于两个提交之间建立依赖关系，避免低效的Fence等待。
Barrier：用于处理缓存一致性问题，确保数据在不同阶段正确同步。
Event：使用较少。
Subpass Dependency：提供类似Barrier的功能，专门用于Subpass。

Pipeline

VkPipeline定义了管线状态，包括隐藏面剔除、混合等设置，最重要的是在这里绑定Shader。一旦Pipeline创建完成，就不能修改，需要更换Shader时必须创建新的Pipeline。Compute Shader需要独立的Compute Pipeline。Pipeline Cache用于加速Shader加载，因为Shader代码需要编译为GPU专用的最优代码。

FrameBuffer

FrameBuffer类似于OpenGL中的Attachment，通过引用各种ImageView打包成一个集合。从SwapChain获得的Image创建ImageView后，就可以用于GPU渲染。

RenderPass

RenderPass是Vulkan中最复杂的概念之一。它描述了一次渲染所需的绘制目标的配置。创建RenderPass时需要指定Attachment的描述，如颜色附件和深度附件。RenderPass通过FrameBuffer绑定实际的Image。Vulkan要求在创建RenderPass时绑定一个FrameBuffer，以确保兼容性。

Descriptor

Shader中读取数据主要通过Uniform实现。Uniform数据通过DescriptorSet或PushConstant传输：

DescriptorSet：引用用于作为Uniform的Buffer数据，包括VkBuffer和VkImage。DescriptorSet需要从DescriptorPool分配，并通过vkUpdateDescriptorSets()方法绑定具体对象。
DescriptorSetLayout：规范约束DescriptorSet的结构，定义每个Set中包含的Buffer和Image数量。
PipelineLayout：结合DescriptorSetLayout和PushConstant，用于创建Pipeline时指定Shader的数据布局。