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Vulkan复习(三角形)

发表于
作者 senlongan
28 分钟阅读

创建VkInstance

  • Vulkan单例：上下文：程序运行所依赖的外部环境
  • 初始化vulkan：
    • VkApplicationInfo创建APP结构体：APP名字，应用程序版本（表示当前的程序是什么版本的），API版本（1_3）
    • VkInstanceCreateInfo创建结构体：包含VkApplicationInfo的引用，扩展数量（glfwGetRequiredInstanceExtensions返回GLFW创建窗口所需的Vulkan扩展列表，vulkan通过扩展和窗口系统交互），扩展名字，验证层数量
    • vkCreateInstance函数创建VkInstance，如果！=VK_SUCCESS创建失败，会throw抛出runtime_error异常
  • 清理：vkDestroyInstance销毁VkInstance

验证层

  • 默认情况下API中的错误检查非常有限，开启验证层将包含很多检查
    • 函数实参是否正确
    • 对象是否存在资源泄漏
    • 检查线程安全性
    • 每个函数调用和参数记录到标准输出
    • 性能分析
    • 可以在开发时使用，发布时禁用
  • 流程
    • 初始化：
      • 检查支持：vkEnumerateInstanceLayerProperties枚举VkInstance的层属性，遍历层属性检查是否有VK_LAYER_KHRONOS_validation，如果有则表示可以支持验证层
      • 添加扩展：先通过glfwGetRequiredInstanceExtensions返回GLFW创建窗口所需的Vulkan扩展列表，设置给const char** glfwExtensions指向首元素的指针，在c++中我们使用扩展都是std::vector<const char*> 的形式，因此用glfwExtensions范围初始化它，再添加VK_EXT_DEBUG_UTILS_EXTENSION_NAME验证层扩展
      • 设置VkInstanceCreateInfo：
        • 扩展已在上一步加入，还需要设置enabledLayerCount层的数量，ppEnabledLayerNames层名字，
        • 创建VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT调试信息结构体，并设置为pNext作为扩展
          • 消息级别（详细诊断信息，INFO一般信息，警告信息，错误信息），
          • 消息类型（GENERA一般消息，VALIDATION验证层，PERFORMANCE性能相关）
          • 它们值都是位掩码通过位或进行组合（比如0b0001 + 0b0010 + 0b0100）
          • 回调函数（形参为PFN函数指针，接受函数的绑定），发送std::cerr错误日志
      • 设置调试消息：
        • 再次创建VkDebugUtilsMessengerCreateInfoEXT结构体
        • 通过vkGetInstanceProcAddr（对于全局函数可以直接使用，对于实例/设备级函数需要获取），获取vkCreateDebugUtilsMessengerEXT创建调试信息 函数地址，转换为PFN_vkCreateDebugUtilsMessengerEXT函数指针，并调用函数
    • 清理：vkDestroyDebugUtilsMessengerEXT销毁验证层扩展

VkPhysicalDevice、VkQueueFamily

  • VkPhysicalDevice物理设备：通过VkInstance查询属性（VRAM显存大小，设备支持哪些功能），选择一个/多个物理设备（优先推荐专用显卡），对GPU的抽象
  • VQueueFamily队列家族：分为3类：图形（渲染相关的命令）、计算、内存传输，每个QueueFamily对应多个queue
  • 流程
    • 初始化：
      • vkEnumeratePhysicalDevices枚举物理设备，遍历检查每个设备，vkGetPhysicalDeviceQueueFamilyProperties获取物理设备队列家族，遍历队列家族，检查是否有VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT标志，如果有退出循环，返回这个设备

VkDevice、VkQueue

  • VkDevice逻辑设备：使用什么 VkPhysicalDeviceFeatures 物理设备特性（比如info.enabled……扩展，层……），对VkPhysicalDevice功能集抽象，几乎所有函数都需要用它作为参数
  • VkPhysicalDeviceFeatures：物理设备特性（多视口，64位浮点数）
  • VkQueue：VQueueFamily中分配VkQueue队列，命令（绘制，内存操作）提交到队列异步执行，同一个queue中每个命令会按照顺序依次执行，多个queue可以多线程并行执行，绘制命令的执行需要等待显示器读取完成（保证垂直同步）
  • 流程
    • 初始化：
      • 再次获取VkQueueFamily索引，创建VkDeviceQueueCreateInfo设备队列，包含队列家族索引，队列数量，队列属性
      • 创建VkDeviceCreateInfo，包含VkDeviceQueueCreateInfo引用和数量，设备特性，扩展数量，验证层数量和名字
      • vkCreateDevice创建逻辑设备
      • vkGetDeviceQueue获取设备的VkQueue
    • 清理：vkDestroyDevice销毁逻辑设备

VkSurfaceKHR

  • VkSurfaceKHR窗口表面：窗口通常会使用像GLFW库创建，由于vulkan是跨平台的，所以需要有一个抽象层即表面，来与不同操作系统的窗口交互
  • 流程
    • 初始化
      • 在创建VkPhysicalDevice前，glfwCreateWindowSurface调用glfw函数，创建VkSurfaceKHR
      • VkPhysicalDevice：如果一个设备的VkQueueFamily既包含VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT又vkGetPhysicalDeviceSurfaceSupportKHR可以支持VkSurfaceKHR，则选择它
      • VkDevice：为每个VkQueueFamily，创建VkDeviceQueueCreateInfo设备队列，vkGetDeviceQueue要获取两次的VkQueue
    • 清理：vkDestroySurfaceKHR销毁窗口表面

VkSwapchainKHR、VkImage

  • VkSwapchainKHR交换链：一组渲染目标，确保不会发生图像撕裂（双缓冲/三缓冲 + 垂直同步）
  • 流程
    • 初始化：
      • VkPhysicalDevice：
        • vkEnumerateDeviceExtensionProperties枚举VkPhysicalDevice扩展，遍历所有扩展，如果有VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME则表示此VkPhysicalDevice支持VkSwapchainKHR
        • vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR获取VkPhysicalDeviced支持的VkSurfaceKHR的功能VkSurfaceCapabilitiesKHR，vkGetPhysicalDeviceSurfaceFormatsKHR获取VkPhysicalDeviced支持的VkSurfaceKHR的格式VkSurfaceFormatKHR，vkGetPhysicalDeviceSurfacePresentModesKHR获取VkPhysicalDeviced支持的VkSurfaceKHR的请求模式VkPresentModeKHR
        • 如果某物理设备，对之前的VkQueueFamily支持，支持VkSwapchainKHR，VkSurfaceFormatKHR和VkPresentModeKHR都不为空，则选择此物理设备
      • VkDevice:添加扩展VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME名字和数量
      • VkSwapchainKHR
        • 再次获取VkPhysicalDeviced对VkSwapchainKHR的支持
        • 遍历VkSurfaceFormatKHR，如果格式为VK_FORMAT_B8G8R8A8_SRGB / VK_COLOR_SPACE_SRGB_NONLINEAR_KHR，则选择它，否则选择首个元素
        • 遍历VkPresentModeKHR，如果有VK_PRESENT_MODE_MAILBOX_KHR选择它，否则为VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR
        • 如果VkSurfaceCapabilitiesKHR表面能力（minImageCount、maxImageCount此物理设备支持为表面创建交换链的最小、大图像数量，currentExtent 是表面的当前宽度和高度，如果==0xFFFFFFFF==numeric_limits<uint32_t>::max()表示表面的大小将由指向该表面的交换链的尺寸决定，可以更改大小，否则！=特殊值，说明swapchain要匹配这个大小，minImageExtent最小交换链范围，maxImageArrayLayers交换链中可呈现图像能够拥有的最大层数），通常直接返回交换链当前大小，如果==uint32_t，则glfwGetFramebufferSize获取帧缓冲的大小，将帧缓冲的宽高限制到VkSurfaceCapabilitiesKHR可以支持的宽高，并作为VkSurfaceCapabilitiesKHR当前的宽高
        • VkSurfaceCapabilitiesKHR，如果minImageCount==maxImageCount则返回maxImageCount
        • VkSwapchainCreateInfoKHR，包含最小图像数量，图像格式，颜色空间，图像大小，图像数组层，图像用法（颜色附件），图像共享模式（并发，独立），VkQueueFamily数量和索引，传输，透明度，请求模式，是否裁剪，交换链，vkCreateSwapchainKHR创建交换链
        • vkGetSwapchainImagesKHR获取交换链图像
    • 清理：vkDestroySwapchainKHR销毁交换链

VkImageView

  • VkImageView图像视图：对VkSwapchainKHR的图像包装为VkImageView
  • 流程
    • 初始化：创建VkImageViewCreateInfo，包含图像（VkSwapchainKHR中创建的），视图的类型（2D，3D……），图像格式（VkSwapchainKHR图像格式），颜色组件（rgba），图像子资源（位掩码，mipmap 级别,mipmap 级别数量,数组层,数组层数量），vkCreateImageView创建
    • 清理：vkDestroyImageView销毁图像数组

VkShaderModule

  • 着色器模块
  • 流程
    • 初始化：
      • 使用IO模块，分别读取vs，fs文件内容到std::vector<char>
      • VkShaderModuleCreateInfo，包含代码字节数大小，代码数据
      • vkCreateShaderModule分别创建两个VkShaderModule
      • VkPipelineShaderStageCreateInfo，包含管线阶段（顶点，片段，集合，计算），对应的VkShaderModule，着色器的入口点名称
    • 销毁：vkDestroyShaderModule分别销毁两个VkShaderModule
    • shader
      • vs: 目前顶点数据直接在shader中定义，没有使用vbo顶点缓冲，顶点数据包含位置和颜色，颜色的计算位置是在vs中，颜色传入到fs，
      • fs：接收颜色值，会为每个片元插值颜色结果
    • failed to open file!：
      • 原因：经过std::filesystem::current_path()调试，发现当前在vscode的安装目录中
      • 解决：修改launch.json文件，cwd配置项：设置工作目录为项目目录，而不是安装目录
    • validation layer: Validation Error: vkCreateShaderModule(): pCreateInfo->pCode doesn’t point to a SPIR-V module
      • 原因：说明着色器文件没有被正确编译成 SPIR-V 格式
      • 解决：使用vulkanSDK中的glslc.exe来编译shader文件为SPIR-V 字节码，添加compile.bat文件，着色器文件的后缀名需要为vert和frag才能被识别

VkRenderPass

  • VKRenderPass渲染通道（pass处理阶段）：描述了渲染期间使用的渲染目标类型、使用方式、这些信息都被封装到VkRenderPass中
  • 流程
    • 初始化：
      • VkAttachmentDescription附件描述，包含附件所使用的图像视图的格式（应该与交换链图像的格式匹配），图像的样本数（抗锯齿），loadOp 和 storeOp 确定在渲染之前和渲染之后如何处理附件中的数据（颜色和深度数据）（LOAD保留附件的现有内容，CLEAR将值清除为常量（清楚色/背景色），DONT_CARE内容未定义）（STORE渲染的内容将存储在内存中以便读取（希望看到结果），DONT_CARE渲染后内容未定义），tencilLoadOp / stencilStoreOp 应用于模板数据，initialLayout、finalLayout图像在渲染通道开始之前、完成后 数据布局（图像布局转换：不同的数据排列方式适合（性能高）用于不同的目的： COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL颜色附件（片段着色器输出颜色），PRESENT_SRC_KHR在交换链中呈现的图像（交换链图像准备显示时），TRANSFER_DST_OPTIMAL内存复制操作目标的图像（缓冲区拷贝到图像时））
      • VkAttachmentReference附件引用，VkAttachmentDescription数组中的索引（这里为1个），在subpass使用时的布局（VK_IMAGE_LAYOUT_COLOR_ATTACHMENT_OPTIMA充当颜色缓冲）
      • VkSubpassDescription，subpass描述，单个RenderPass可以包含多个Subpass（每个subpass对应一个渲染操作，比如将多个后期处理效果放在同一renderpass中，Vulkan能够重新排序操作并节省内存带宽，从而可能获得更好的性能），类型（图形/计算 subpass），每个subpass都会包含一个/多个VkAttachmentReference引用（对应shader中layout(location = index) out）
      • VkSubpassDependency子通道依赖控制（何时等待）：
        • 图像布局转换会被subpass自动处理，Vulkan 会在renderpass开始时和渲染通道结束时，自动创建两个隐式依赖（布局转换），但是开始时没有在正确的时间发生（我们尚未获取图像）
        • 有两种方法解决：
          • acquire的semaphore的等待改为VK_PIPELINE_STAGE_TOP_OF_PIPE_BIT以确保renderpass在图像可用之前不会开始执行
          • 另一种方式，通过VkSubpassDependency手动控制subpass之间的图像布局转换，让renderpass等待VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT（等待颜色附件输出阶段完成（图像已获取后））
        • 在VkRenderPass的创建中，新增VkSubpassDependency，src是要等待的subpass之前依赖的subpass（也就是需要src完成才可dst的执行），dst是哪个subpass需要等待
          • srcSubpass来源子通道索引（当前subpass前没有subpass，因此要等待的subpass为隐式的VK_SUBPASS_EXTERNAL）
          • dstSubpass目标子通道索引（当前的subpass index，由于只有一个subpass，index为0）
          • srcStageMask，源subpass在哪个管线阶段进行等待
          • dstStageMask，目标subpass在哪个管线阶段进行等待
          • srcAccessMask，源subpass完成哪些内存操作后可以继续
          • dstAccessMask，目标subpass将要执行的内存访问操作
      • VkRenderPassCreateInfo渲染通道参数，包含附件数量和引用，子通道数量和引用
      • vkCreateRenderPass创建VkRenderPass
    • 清理：vkDestroyRenderPass销毁VKRenderPass

VkPipeline

  • VkPipeline渲染管线：定义渲染管线状态：（视口大小，深度缓冲区操作、VkShaderModule的绑定、有哪些渲染目标，面剔除，混合），如果要改变状态，那么需要重新创建VkPipeline,只有一些基本配置可以动态更改（视口大小、裁剪大小）
  • VkPipelineLayout：用于传递uniform值（动态全局变量，每帧可以更改值），着色器可以访问的资源布局（比如Descriptor）
  • 流程
    • 初始化：
      • VkPipelineVertexInputStateCreateInfo管线顶点输入状态（顶点数据），描述了将传递给顶点着色器的顶点数据的格式（shader的编号，逐顶点还是逐实例，数据的尺寸和类型，偏移量），包含VkVertexInputBindingDescription顶点输入绑定，VkVertexInputAttributeDescription顶点输入属性描述的数量和数据
      • VkPipelineInputAssemblyStateCreateInfo管线输入组装状态（图元），包含拓扑结构（点，线，三角形），按索引（元素缓冲，重用顶点的优化）绘制时特殊顶点是否允许重新组装
      • VkPipelineViewportStateCreateInfo管线视口状态，包含使用的视口数量，裁剪区域的数量
      • VkPipelineRasterizationStateCreateInfo管道光栅化状态，启用深度限制（近平面和远平面的片段将被钳制到它们，而不是丢弃它们），图元是否在光栅化阶段之前立即被丢弃，光栅化模式：如何为几何图形生成片段（FILL片段填充多边形区域，LINE多边形边缘绘制为线条，POINT多边形顶点绘制为点），线条的粗细，面剔除（禁用剔除、剔除正面、剔除背面或两者都剔除，被视为正面的面的顶点顺序）
      • VkPipelineMultisampleStateCreateInfo管线多重采样状态,包含是否启用样本着色，样本数
      • VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo深度模板测试
      • VkPipelineColorBlendAttachmentState管线颜色混合附件状态，包含位掩码，是否为相应的颜色附件启用混合
      • VkPipelineColorBlendStateCreateInfo管线颜色混合状态，包含是否应用逻辑运算（混合方式），哪种逻辑运算，附件数量，指向VkPipelineColorBlendAttachmentState，混合常数的 R、G、B 和 A 分量
      • VkPipelineDynamicStateCreateInfo管线动态状态，这些是可以运行时改变的状态，包含VkDynamicState的数量和数据
      • VkPipelineLayoutCreateInfo管道布局，包含描述符集的数量，管线布局中的常量范围的个数
      • vkCreatePipelineLayout创建VkPipelineLayout
      • VkGraphicsPipelineCreateInfo图形管线，将上面创建的组件都附加上（着色器模块（可编程阶段），固定功能状态（非可编程阶段的状态），pipelineLayout管线布局（着色器引用的 uniform 值，可在每帧实时更新，renderPass引用），basePipelineHandle/basePipelineIndex派生自现有管线来创建新的图形管线，当有很多共用功能，这样创建的成本较低），
      • vkCreateGraphicsPipelines创建，第二个参数引用VkPipelineCache对象，
    • 清理：vkDestroyPipeline，vkDestroyPipelineLayout

VkFramebuffer

  • VkFramebuffer帧缓冲区（渲染目标）：引用颜色、深度、模板 的VkImageView，它将在VkRenderPassBeginInfo中被绑定（index为在swapchain acquire的图像index），需要为每个swapchain的image创建framebuffer
  • 流程
    • 初始化：为VkFramebuffer调整大小和VkImageView数量一致，遍历每个元素，VkFramebufferCreateInfo，包含VkRenderPass，附件的数量和数据（VkImageView），帧缓冲区的宽高，图像数组中的层数，vkCreateFramebuffer创建
    • 清理：vkDestroyFramebuffer销毁

VkCommandPool、VkCommandBuffer

  • VkCommandPool命令池：管理用于命令缓冲区的内存，每个VkCommandPool只能分配在单一类型的queue上提交的VkCommandBuffer（pool对应一类queue）
  • VkCommandBuffer命令缓冲区：从VkCommandPool分配，想要执行的命令首先记录到VkCommandBuffer, 然后提交到VkQueue，命令录制支持多线程，并且record和submit由于是分开的因此也可以多线程，需要为每个VkSwapchainKHR的图像提供VkCommandBuffer（但是目前我们先创建一个）
  • 流程
    • 初始化：
      • VkCommandPoolCreateInfo，包含标志（VK_COMMAND_POOL_CREATE_TRANSIENT_BIT频繁地被重置（可能进行特殊优化），VK_COMMAND_POOL_CREATE_RESET_COMMAND_BUFFER_BIT重新记录（需要手动重置）），VkQueueFamily索引，vkCreateCommandPool创建
      • VkCommandBufferAllocateInfo，包含VkCommandPool，命令缓冲区的级别（是PRIMARY主VkCommandBuffer提交到队列执行,还是SECONDARY辅助VkCommandBuffer不能直接提交，但可以从主命令缓冲区调用（多线程）），命令缓冲区的数量，vkAllocateCommandBuffers创建
    • 清理：vkDestroyCommandPool

VkSemaphore、VkFence

  • 不同于opengl，vulkan需要用同步原语,手动 控制执行顺序（大部分API都是异步执行的），因为需要确保执行完成后，再进行之后的操作
  • VKSemaphore信号量:
    • 有两种信号量：二进制信号量和时间线信号量，本次使用二进制信号量
    • 有两种状态：未发信号状态（默认），已发信号状态
    • 使用方式：将信号量S作为queueA的info中的pSignalSemaphores，并作为queueB中的pWaitSemaphores，这样A操作完成时发出信号S，B在此前会等待S，当B开始执行后，S重置为未发信号状态，允许再次使用它
    • 用于在GPU上保证执行顺序，CPU会继续执行不会阻塞
    • 应用：
      • swapchain的操作（获取图像和呈现），不希望CPU等待
      • 保证VkQueue（同一队列/不同队列）中队列操作（vkQueueSubmit，vkQueuePresent）的执行顺序
  • VkFence栅栏：
    • CPU需要知道GPU何时完成某项工作，充当cpu和gpu之间的同步工具
    • 有两种状态：已发信号或未发信号
    • 使用方式：比如GPU的命令A，围栏F，当A执行完成，F发出信号，CPU会wait直到接收到信号
    • 和semaphore不同，fence会导致CPU被阻塞，因此我们尽量选择semaphore而不是fence
    • vkResetFences我们需要手动重置围栏，它才会回到未发信号状态（因为它控制CPU的执行，我们可以直接控制它）
    • 应用：等待上一帧，需要CPU等待，因为每帧都会reset command buffer，不想在正在使用时，将下一帧的命令覆盖当前command buffer（record录制命令，和在submit使用命令，在它们完成后即可重新录制和使用）
  • 流程
    • 初始化：
      • VkSemaphoreCreateInfo，vkCreateSemaphore创建信号量
      • VkFenceCreateInfo,添加VK_FENCE_CREATE_SIGNALED_BIT标志，以便首次执行时不会阻塞，vkCreateFence创建栅栏

vkCmd、vkQueue

  • vkCmd开头的都是向commandBuffer，Record录制命令
  • vkQueue开头的都是向Queue，Submit提交命令
  • 流程
    • 每帧
      • vkWaitForFences，vkResetFences栅栏
      • vkAcquireNextImageKHR，从VkSwapchainKHR请求下一个可用的图像，第4个参数是成功获取图像（在呈现完成 + 读取完成后）后发出信号的Semaphore（对于首帧来说不需要等待present完成）（请求图像）
      • vkResetCommandBuffer，清除上一次录制命令
      • VkCommandBufferBeginInfo,包含标志如何使用命令缓冲区（ONE_TIME_SUBMIT执行一次后立即重新记录，RENDER_PASS_CONTINUE辅助命令缓冲区，SIMULTANEOUS_USE在已经挂起执行的同时重新提交），从主命令缓冲区继承的状态，vkBeginCommandBuffer开始录制
        • VkRenderPassBeginInfo，包含VkRenderPass，VkFramebuffer，渲染区域宽高和偏移量，清理值的数量，清除值（背景色），vkCmdBeginRenderPass开始渲染阶段，第一个参数始终是要记录命令的commandBuffer，第二个参数RenderPass info，最后一个参数控制RenderPass内的绘制命令将如何提供（VK_SUBPASS_CONTENTS_INLINE命令将嵌入在主命令缓冲区本身中，VK_SUBPASS_CONTENTS_SECONDARY_COMMAND_BUFFERS命令将从辅助命令缓冲区执行）
          • vkCmdBindPipeline，绑定VkPipeline，第二个参数指定管线对象是图形管线还是计算管线
          • vkCmdSetViewport，视口的宽高，深度值范围（这些值必须在 [0.0f, 1.0f] 范围内）
          • vkCmdSetScissor，动态设置裁剪矩形：偏移量和大小
          • 上面两个，由于在VkPipeline中将VIEWPORT和SCISSOR设置为VkDynamicState动态状态，因此要在这里每帧设置它们
          • vkCmdDraw，drawcall命令，要绘制的顶点数，绘制的实例数（实例化渲染），顶点缓冲区的偏移量，实例化渲染的偏移量
        • vkCmdEndRenderPass结束渲染管线

      • vkEndCommandBuffer结束录制

      • VkSubmitInfo，包含执行命令缓冲区之前需要等待的信号量数量和引用，VkPipelineStageFlags引用（每个信号量等待将发生的管线阶段）,命令缓冲区的数量和引用，命令执行完成后需要通知的信号量数量和引用，vkQueueSubmit向队列提交和执行命令（渲染）
      • VkPresentInfoKHR，包含呈现请求之前需要等待的信号量数量和引用，VkSwapchainKHR的数量和引用，要呈现图像的索引，vkQueuePresentKHR对swapchain呈现/交换操作，以显示渲染结果（呈现）
    • 清理：vkDestroySemaphore、vkDestroyFence
  • 1

图像size

  • glfwGetFramebufferSize窗口大小：实际窗口，超过窗口外的将看不到（画框，超出画框的纸张将被裁剪掉）
  • swapchain的大小==framebuffer大小：渲染目标的大小，通常与窗口在左上角对齐（纸张大小）
  • viewport大小：坐标映射到渲染目标的范围，从左上开始算（图片抻拉映射到纸张的那部分区域）
  • scissor大小：渲染目标的可视范围（哪部分可视，哪部分裁剪）
Vulkan
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权
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