バルカン。開発者ガイド

私はIzhevskIT企業のCGTribeの技術翻訳者として働いており、コミュニティに貢献し、興味深い記事やチュートリアルの翻訳の公開を開始するよう招待されました。



ここでは、VulkanAPIマニュアルの翻訳を投稿します。ソースリンク-vulkan-tutorial.com。別のHabrユーザーであるkiwhy（https://habr.com/ru/users/kiwhy/）が同じマニュアルの翻訳に従事しているため、私

たちは自分たちの間でレッスンを共有することに同意しました。私の出版物では、kiwhyによって翻訳された章へのリンクを提供します。

1.はじめに

著者kiwhyによる記事を参照してください--habr.com/ru/post/462137

2.概要

バルカンの背景



三角形の描き方は？

1. ステップ1-インスタンスと物理デバイス
2. ステップ2-LUNおよびキューファミリ
3. ステップ3-ウィンドウサーフェスとスワップチェーン
4. ステップ4-画像ビューとフレームバッファ
5. ステップ5-パスをレンダリングする
6. ステップ6-グラフィックパイプライン
7. ステップ7-コマンドプールとコマンドバッファ
8. ステップ8-メインループ
9. 結論

APIの概念

1. コードフォーマット標準
2. 検証レイヤー

この章では、Vulkanの使用を開始し、Vulkanで解決できる問題を確認します。最初の三角形を作成するために必要な手順について説明します。これにより、標準の概要がわかり、後続の章のレイアウトの背後にあるロジックを理解できるようになります。最後に、VulkanAPIの構造と一般的な使用例を見ていきます。

Vulkanの前提条件

以前のグラフィックスAPIと同様に、VulkanはGPUを介したクロスプラットフォームの抽象化として考えられています。これらのAPIのほとんどの主な問題は、開発中にグラフィックハードウェアが使用され、固定機能に限定されていたことです。開発者は頂点データを標準形式で提供する必要があり、照明と影についてはGPUメーカーに完全に依存していました。



ビデオカードのアーキテクチャが発展するにつれて、ますます多くのプログラム可能な機能がそこに現れ始めました。すべての新機能は、何らかの方法で既存のAPIと組み合わせる必要がありました。これは、不完全な抽象化と、プログラマーの意図を最新のグラフィックスアーキテクチャに変換する方法についてのグラフィックスドライバー側の多くの仮説につながりました。そのため、ゲームのパフォーマンスを向上させるために、多数のドライバーアップデートがリリースされています。このようなドライバーは複雑であるため、たとえばシェーダーに採用されている構文では、ベンダー間で不一致が生じることがよくあります。..。これとは別に、過去10年間で、強力なグラフィックハードウェアを備えたモバイルデバイスの流入も見られました。これらのモバイルGPUのアーキテクチャは、サイズと電力要件によって大きく異なります。そのような例の1つは、タイルレンダリングです。これは、機能をより適切に制御することで、より優れたパフォーマンスを提供できます。 APIの古さによるもう1つの制限は、マルチスレッドのサポートが制限されていることです。これは、CPU側のボトルネックにつながる可能性があります。



Vulkanは、最新のグラフィックアーキテクチャ用にゼロから構築されているため、これらの問題の解決に役立ちます。これにより、開発者は詳細なAPIを使用して目標を明確に説明できるため、ドライバー側のオーバーヘッドが削減されます。Vulkanを使用すると、複数のスレッドでコマンドを並行して作成および送信できます。また、標準化されたバイトコード形式に移行し、単一のコンパイラを使用することで、シェーダ間のコンパイルの不一致を減らします。最後に、Vulkanは、グラフィックスとコンピューティング機能を単一のAPIに統合することにより、今日のグラフィックスカードのコア機能を統合します。

三角形を描くにはどうすればよいですか？

三角形を描くために必要な手順を簡単に見ていきます。これにより、プロセスの概要がわかります。各概念の詳細については、次の章で説明します。



ステップ1-インスタンスと物理デバイス



Vulkanの操作は、VkInstance（インスタンス）を介してVulkanAPIを構成することから始まります。インスタンスは、プログラムの説明と使用する拡張機能を使用して作成されます。インスタンス化後、Vulkanがサポートするハードウェアを照会し、操作を実行する1つ以上のVkPhysicalDevicesを選択できます。専用のグラフィックカードを使用したい場合は、VRAMサイズやデバイス機能などのパラメータを問い合わせて、必要なデバイスを選択できます。



ステップ2-ロジックデバイスとキューファミリ



使用する適切なハードウェアデバイスを選択したら、VkDevice（論理デバイス）を作成する必要があります。ここで、使用する機能（VkPhysicalDeviceFeatures）について詳しく説明します。たとえば、複数のビューポートにレンダリングします。 s（マルチビューポートレンダリング）および64ビットフロート。また、使用するキューファミリを確立する必要があります。描画コマンドやメモリ内操作など、Vulkanで実行される操作の多くは、VkQueueに送信された後に非同期で実行されます。..。キューはキューのファミリーから割り当てられ、各ファミリーは特定の操作のセットをサポートします。たとえば、グラフィックス操作、計算操作、およびメモリデータ転送用に個別のキューファミリが存在する場合があります。さらに、それらの可用性は、物理デバイスを選択する際の重要なパラメーターとして使用できます。一部のVulkan対応デバイスはグラフィック機能を提供していませんが、最新のVulkan対応グラフィックカードはすべて、通常、必要なすべてのキューイング操作をサポートしています。



ステップ3-ウィンドウサーフェスとスワップチェーン



オフスクリーンレンダリング以上のものに関心がある場合は、レンダリングされた画像を表示するためのウィンドウを作成する必要があります。 Windowsは、ネイティブプラットフォームAPIまたはGLFWやSDLなどのライブラリを使用して作成できます。このチュートリアルではGLFWを使用します。これについては、次の章で詳しく説明します。



アプリケーションウィンドウにレンダリングするには、ウィンドウサーフェス（VkSurfaceKHR）とショーチェーン（VkSwapchainKHR）の2つのコンポーネントが必要です。接尾辞に注意してくださいKHRこれは、これらのオブジェクトがVulkan拡張機能の一部であることを示しています。 Vulkan APIは完全にプラットフォームに依存しないため、標準化されたWSI（ウィンドウシステムインターフェイス）拡張機能を使用してウィンドウマネージャーと対話する必要があります。 Surfaceは、レンダリング用のクロスプラットフォームウィンドウ抽象化であり、通常、たとえばHWNDWindowsでネイティブウィンドウハンドルを参照することによって作成されます。幸い、GLFWライブラリには、プラットフォーム固有の詳細を操作するための組み込み関数があります。



ショーチェーンは、レンダリングターゲットのセットです。そのタスクは、現在レンダリングされている画像が画面に表示されている画像と異なることを確認することです。これにより、レンダリングされた画像のみが表示されていることを追跡できます。フレームを作成する必要があるたびに、レンダリングする画像を提供するようにショーチェーンにリクエストする必要があります。フレームが作成された後、画像はディスプレイチェーンに戻され、ある時点で画面に表示されます。完成した画像を画面に表示するためのレンダリングターゲットと条件の数は、現在のモードによって異なります。これらのモードには、ダブルバッファリング（vsync）とトリプルバッファリングが含まれます。ショーチェーンの作成に関する章でそれらについて説明します。



一部のプラットフォームでは、拡張機能VK_KHR_displayを介しVK_KHR_display_swapchainて、ウィンドウマネージャを操作せずに、画面に直接レンダリングできます。これにより、画面全体を表すサーフェスを作成でき、たとえば、独自のウィンドウマネージャーを実装するために使用できます。



ステップ4-画像ビューとフレームバッファ



表示チェーンから取得した画像に描画するには、VkImageViewとVkFramebufferでラップする必要があります。イメージビューは、使用されるイメージの特定の部分を指し、フレームバッファーは、カラー、深度、およびステンシルバッファーとして使用されるイメージビューを指します。ディスプレイチェーンにはさまざまな画像が存在する可能性があるため、事前に画像ビューとフレームバッファを作成し、描画時に必要な画像を選択します。



ステップ5-レンダリング



パスVulkanのレンダリングパスは、レンダリング操作中に使用される画像のタイプ、それらの使用方法、およびそれらのコンテンツの処理方法を記述します。三角形を描画する前に、単一の画像をカラーバッファーとして使用し、描画する前にそれをクリアする必要があることをVulkanに伝えます。レンダーパスがバッファーとして使用されるイメージのタイプのみを記述している場合、VkFramebufferは実際に特定のイメージをそれらのスロットに関連付けます。



ステップ6-



グラフィックパイプラインVulkanのグラフィックパイプラインは、VkPipelineオブジェクトを作成することによって構成されます。ビューポートサイズや深度バッファ操作などのビデオカードの構成可能な状態、およびVkShaderModuleオブジェクトを使用したプログラム可能な状態について説明します。VkShaderModuleオブジェクトは、シェーダーバイトコードから作成されます。ドライバーは、パイプラインで使用されるレンダリングターゲットも指定する必要があります。レンダーパスを参照して設定します。



既存のAPIと比較したVulkanの最も際立った機能の1つは、グラフィックパイプラインのほとんどすべてのシステム設定を事前定義する必要があることです。つまり、別のシェーダーに切り替えたり、頂点のレイアウトを少し変更したりする場合は、グラフィックパイプラインを完全に再作成する必要があります。したがって、レンダリング操作に必要なすべての組み合わせに対して、事前に多くのVkPipelineオブジェクトを作成する必要があります。ビューポートサイズやクリアカラーなど、一部の基本設定のみを動的に変更できます。すべての状態を明示的に記述する必要があります。したがって、たとえば、デフォルトのカラーブレンド状態はありません。



幸い、プロセスはオンザフライでコンパイルするのではなく、事前にコンパイルするようなものであるため、別のグラフィックパイプラインへの切り替えなどの重要な状態変更が明示的に指定されるため、ドライバーには最適化の機会が増え、パフォーマンスがより予測可能になります。



ステップ7-コマンドプールとコマンドバッファ



前述のように、描画操作など、Vulkanの多くの操作をキューに入れる必要があります。操作を送信する前に、それらをVkCommandBufferに書き込む必要があります。コマンドバッファは、特定のキューファミリに関連付けられているVkCommandPoolから取得されます。単純な三角形を描くには、次の操作でコマンドバッファを作成する必要があります。

• レンダリングパスを開始します
• グラフィックパイプラインをバインドする
• 3つの頂点を描く
• レンダーパスの終了

フレームバッファ内の画像のインスタンスは、ディスプレイチェーンが提供する画像に依存するため、可能な画像ごとにコマンドバッファを記述し、描画中に必要なものを選択する必要があります。フレームごとに毎回コマンドバッファを書き込むことができますが、これは効率が悪くなります。



ステップ8-メインループ



描画コマンドをコマンドバッファに送信した後、メインループは十分に単純に見えます。まず、ショーチェーンからvkAcquireNextImageKHR。を使用して画像を取得します。次に、このイメージに適切なコマンドバッファーを選択し、vkQueueSubmitを使用して実行できます。最後に、を使用して表示するために画像をディスプレイチェーンに戻しますvkQueuePresentKHR。



キューに送信される操作は非同期で実行されます。したがって、同期オブジェクト（セマフォ）を使用して、正しい起動順序を確保する必要があります。表示チェーンから画像をフェッチした後にのみ実行されるように描画コマンドバッファの実行を設定する必要があります。そうしないと、画面に表示するためにまだ読み取られている画像のレンダリングを開始するときに状況が発生する可能性があります。次に、呼び出しvkQueuePresentKHRはレンダリングが完了するのを待つ必要があります。そのために、2番目のセマフォを使用します。レンダリングの終了を通知します。



結論



この簡単な概要では、最初の三角形を描く前の作業の概要を説明します。実際には、さらに多くのステップがあります。これには、頂点バッファーの割り当て、均一バッファーの作成、テクスチャイメージのロードが含まれます。これらはすべて次の章で説明しますが、ここでは簡単に始めましょう。遠くに移動するほど、素材は難しくなります。頂点バッファを使用する代わりに、最初に頂点座標を頂点シェーダーに埋め込むというトリッキーな方法を採用することにしたことに注意してください。この決定は、頂点バッファーを管理するには、最初にコマンドバッファーに精通している必要があるという事実によるものです。



簡単に要約しましょう。最初の三角形を描くには、次のものが必要です。

• VkInstanceを作成します
• サポートされているビデオカードを選択します（VkPhysicalDevice）
• 作成VkDeviceとVkQueueを描画および表示のために
• ウィンドウ、ウィンドウサーフェスを作成し、チェーンを表示します
• ディスプレイチェーンイメージをVkImageViewでラップします
• レンダーターゲットとその使用法を定義するレンダーパスを作成します
• レンダーパス用のフレームバッファーを作成する
• グラフィックパイプラインを構成する
• ディスプレイチェーン内の各画像のバッファに描画コマンドを配布して書き込みます
• 正しいコマンドバッファを送信し、画像をディスプレイチェーンに戻すことにより、受信した画像にフレームを描画します

多くのステップがあるという事実にもかかわらず、それらのそれぞれの意味は次の章で明らかになります。手順がわからない場合は、この章に戻ってください。

APIの概念

この章では、VulkanAPIが下位レベルでどのように構成されているかについて簡単に説明します。



コーディング標準の



すべてのバルカン機能、列挙および構造は、見出しの下にラベル付けされているvulkan.hに含まれているバルカンSDK LunarGによって開発されました。 SDKのインストールについては、次の章で説明します。



関数にはvk小文字の接頭辞が付けられ、列挙型（enum）と構造には接頭辞が付けられVk、列挙された値には接頭辞が付けられVK_ます。 APIは、構造を広範囲に使用して、関数にパラメーターを提供します。たとえば、オブジェクトは通常、次のパターンに従って作成され







ます。Vulkanの多くの構造では、メンバーで構造タイプを明示的に指定する必要がありますsType。メンバーpNextは拡張構造を指すことができ、常にタイプになりますnullptr..。オブジェクトを作成または破棄する関数には、VkAllocationCallbacksパラメーターがあります。これにより、独自のメモリーアロケーターを使用でき、マニュアルではタイプもありnullptrます。



ほとんどすべての関数は、エラーコードまたはエラーコードのいずれかであるVkResultを返しVK_SUCCESSます。仕様には、各関数が返すことができるエラーコードとその意味が記載されています。



検証レイヤー



前述のように、Vulkanは、低いドライバー負荷で高性能を提供するように設計されています。したがって、非常に限られた自動エラー検出および修正機能が含まれています。間違えると、ドライバーがクラッシュするか悪化し、グラフィックカードでは引き続き機能しますが、他のグラフィックカードでは失敗します。



したがって、Vulkanでは、検証レイヤーと呼ばれる機能を使用して高度な検証を実行できます。..。検証レイヤーは、APIとグラフィックスドライバーの間に挿入して、関数パラメーターの追加の検証を実行し、メモリ管理の問題を追跡できるコードです。これは、開発中にそれらを開始し、追加費用なしでプログラムを開始するときにそれらを完全に無効にできるという点で便利です。誰でも独自の検証レイヤーを作成できますが、LunarGのVulkan SDKは、チュートリアル全体で使用する標準セットを提供します。また、レイヤーからデバッグメッセージを受信するには、コールバック関数を登録する必要があります。



Vulkanでの操作は非常に詳細であり、検証レイヤーは非常に広範囲にわたるため、OpenGLやDirect3Dと比較して、黒い画面の原因を特定するのがはるかに簡単になります。



コーディングを開始する前に残っているステップは1つだけです。それは、開発環境のセットアップです。