vulkan学习笔记第二篇_入门案例解析

vulkan

相比dx和gl：
1．跨平台
2．接口更复杂，更灵活。
3．暴露了更高级特性api
4．用得好比gl性能更高。

Vulkan应用程序的基本步骤

初始化Vulkan库
创建Vulkan实例
选择物理设备（GPU）
创建逻辑设备
创建交换链
创建图像视图
创建渲染通道
创建帧缓冲
创建命令池和命令缓冲
绘制和呈现

vulkan拓展

vulkan很多功能都围绕拓展实现。

Vulkan扩展主要分为

实例扩展（Instance Extensions），用于图形API的初始化。
如：VK_KHR_surface（跨平台表面创建）、VK_KHR_get_physical_device_properties2（查询设备属性）。
设备扩展（Device Extensions），用于硬件功能支持。
如：VK_KHR_ray_query（光线追踪）、VK_KHR_video_encode_av1（AV1编码）。

跨平台表面VK_KHR_surface拓展。

由于Vulkan是一个平台无关的API，因此它不能自己直接与窗口系统接口交互。为了在Vulkan和所在平台的窗口系统建立连接并将结果显示到屏幕上，我们需要使用WSI(窗口系统集成)扩展。
VK_KHR_surface拓展。它是一个实例扩展（Instance Extensions），公开了一个VkSurfaceKHR对象，该对象表示要呈现渲染图像的抽象surface类型。
它在GLFW的glfwGetRequiredInstanceExtensions返回的列表中，所以是默认启动了它。

物理设备

开发者需要选择支持vulkan的合适的物理设备（如足够大的VRAM或者带专业显卡的）

逻辑设备和队列簇拓展

概念：

绘图指令和内存操作，都是通过提交给 VkQueue（队列）来异步执行的。
队列是从队列簇(Queue Family）中分配，每一个队列簇中的队列支持一组特定操作。比如，有的队列簇中队列支持绘图，有的是专门做计算或内存转储操作。
在一个队列族内部包含一个或多个队列。
队列簇的不同能力可以作为选择物理设备的区分标准。
一个设备支持 Vulkan 但不具备任何图形功能情况也是有可能的。因为并不是所有的图形卡具备能力将绘制的图像直接显示到屏幕上。比如一个GPU卡是为服务器设计的，那就不会具备任何有关显示的输出。

可以通过下列函数对物理设备所支持的队列簇进行筛选。

struct QueueFamilyIndices {
public:
	/// <summary>
	/// 支持图形操作的队列簇索引
	/// </summary>
	std::optional<uint32_t> graphicsFamily;
	/// <summary>
	/// 支持通过向窗口表面（VkSurfaceKHR）提交呈现操作的队列簇索引
	/// </summary>
	std::optional<uint32_t> presentFamily;

	/// <summary>
	/// 是否初始化完毕
	/// </summary>
	/// <returns></returns>
	bool isComplete() {
		return graphicsFamily.has_value() && presentFamily.has_value();
	}
};

QueueFamilyIndices findQueueFamilies(VkPhysicalDevice device) {
	QueueFamilyIndices indices;

	//  从物理设备中获取所支持的队列簇
	uint32_t queueFamilyCount = 0;
	vkGetPhysicalDeviceQueueFamilyProperties(device, &queueFamilyCount, nullptr);

	std::vector<VkQueueFamilyProperties> queueFamilies(queueFamilyCount);
	vkGetPhysicalDeviceQueueFamilyProperties(device, &queueFamilyCount, queueFamilies.data());

	int i = 0;
	for (const auto& queueFamily : queueFamilies) {
		// 队列族是否支持图形操作
		if (queueFamily.queueFlags & VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT) {
			indices.graphicsFamily = i;
		}

		// 查询某个物理设备是否支持通过指定的队列族向窗口表面（VkSurfaceKHR）提交呈现操作。
		VkBool32 presentSupport = false;
		vkGetPhysicalDeviceSurfaceSupportKHR(device, i, surface, &presentSupport);

		if (presentSupport) {
			indices.presentFamily = i;
		}

		if (indices.isComplete()) {
			break;
		}

		++i;
	}

	return indices;
}

支持同一物理设备创建多个逻辑设备。

窗口面和交换链

什么是交换链：
交换链是一种图元绘制结果呈现的机制，它可以将绘制结果渲染到平台相关的展示窗口/展示层当中。
交换链内含一组图像（一般作为渲染目标），用于屏幕上渲染的帧画面。
交换链中有两幅图像，那么称为双缓存；如果有三幅图像，那么称作三缓存。
图像个数与驱动层有关。

1.初步检查：判断物理设备是否支持交换链拓展VK_KHR_swapchain。
Vulkan头文件提供给了一个方便的宏VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME，该宏定义为VK_KHR_swapchain。
2.细节检查：
2.1 基本的surface功能属性(min/max number of images in swap chain, min/max width and height of images)
2.2 Surface格式(pixel format, color space)
2.3 有效的presentation模式

以下是查询目标物理设备锁支持的surface格式和presentation模式信息，若干SwapChainSupportDetails的formats和presentModes不为空，则表示支持。


struct SwapChainSupportDetails {
	VkSurfaceCapabilitiesKHR capabilities;
	std::vector<VkSurfaceFormatKHR> formats;
	std::vector<VkPresentModeKHR> presentModes;
};


/// <summary>
/// 查询目标物理设备锁支持的surface格式和presentation模式信息
/// </summary>
/// <param name="device"></param>
/// <returns></returns>
SwapChainSupportDetails EditorApp::querySwapChainSupport(VkPhysicalDevice device) {
	SwapChainSupportDetails details;

	// 查询需要物理设备mPhysicalDevice和表面mSurface作为参数，查询结果保存在结构体VkSurfaceCapabilitiesKHR中
	vkGetPhysicalDeviceSurfaceCapabilitiesKHR(device, surface, &details.capabilities);

	// 查询支持的surface格式的个数
	uint32_t formatCount;
	vkGetPhysicalDeviceSurfaceFormatsKHR(device, surface, &formatCount, nullptr);

	if (formatCount != 0) {
		details.formats.resize(formatCount);
		// 查询交换链锁所支持的surface格式，并填充到details.formats这个VkSurfaceFormatKHR类型的数组。
		vkGetPhysicalDeviceSurfaceFormatsKHR(device, surface, &formatCount, details.formats.data());
	}

	uint32_t presentModeCount;
	vkGetPhysicalDeviceSurfacePresentModesKHR(device, surface, &presentModeCount, nullptr);

	// 查询支持的presentation模式的个数
	if (presentModeCount != 0) {
		details.presentModes.resize(presentModeCount);
		// 查询交换链锁所支持的presentation模式，并填充到details.presentModes这个VkPresentModeKHR类型的数组。
		vkGetPhysicalDeviceSurfacePresentModesKHR(device, surface, &presentModeCount, details.presentModes.data());
	}

	return details;
}

bool isDeviceSuitable(VkPhysicalDevice device) {
    bool swapChainAdequate = false;
	if (extensionsSupported) {
		SwapChainSupportDetails swapChainSupport = querySwapChainSupport(device);
		swapChainAdequate = !swapChainSupport.formats.empty() && !swapChainSupport.presentModes.empty();
	}
}

交换链

概念：

Vulkan就没有像OpenGL一样的默认帧缓冲（frame buffer）。如果我们想把图像显示到屏幕上，必须先有一套由窗口系统持有的可显示图像，这个基础设施就是Swap chain
SwapChain的作用主要用于解决多buffer渲染与显示的撕裂感问题。
创建vulkan交换链拓展，需要指定表面格式数据（像素格式、色彩空间）、提交呈现命令模式、画面尺寸、队列簇索引列表等等数据。

交换链特点：

相当于图像的缓冲区（可能是单缓冲、双缓冲、三缓冲）。应用程序从队列取出图像后提交给表面拓展进行渲染操作。交换链被用来同步图像呈现和屏幕刷新。
SwapChain 用于解决多buffer渲染与显示的撕裂感问题。

Vulkan交换链特点：

Vulkan交换链不是必需的拓展，例如有些显卡不具有将图像呈现到屏幕的能力，Vulkan的交换链必须显式地创建，不存在默认的交换链。
允许我们选择任意数量的显卡设备，并能够同时使用它们。
DXVK支持多种像素格式，常见的有：

像素格式类型	说明
VK_FORMAT_B8G8R8A8_SRGB	8位标准RGB格式，适合SDR内容
VK_FORMAT_A2B10G10R10_UNORM_PACK32	10位高动态范围格式，支持HDR
VK_FORMAT_R16G16B16A16_SFLOAT	16位浮点格式，用于HDR渲染管线

DXVK支持两类主要标准：

色彩空间类型	Vulkan枚举值	应用场景
标准SDR	VK_COLOR_SPACE_SRGB_NONLINEAR_KHR	普通游戏/视频
扩展SDR	VK_COLOR_SPACE_EXTENDED_SRGB_LINEAR_EXT	广色域SDR内容
HDR10	VK_COLOR_SPACE_HDR10_ST2084_EXT	电影级HDR内容
HDR10+	VK_COLOR_SPACE_HDR10_PLUS_EXT	动态元数据HDR

呈现模式：
对于交换链对显示模式的设置应该是最重要的，因为它代表实际显示图像到屏幕的时机。在Vulkan中有四种显示模式：

呈现模式类型	说明
VK_PRESENT_MODE_IMMEDIATE_KHR	由应用提交的图像立刻被传输到屏幕。这种方式可能导致图像不完整。
VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR	交换链是一个队列，当显示器刷新时，显示器从队列头获取图像，程序将渲染后的图像从队尾插入。若队列满则等待。这与现代游戏中的水平同步很类似。显示器刷新的时机称为“vertical blank”.
VK_PRESENT_MODE_FIFO_RELAXED_KHR	此模式区别于上一个模式的地方在于在最后一个“vertical blank”的时候，应用程序图像未到来而队列是空的；当图像到队列时，不会等到下一个"vertical blank"的时候再显示到屏幕，而是立即显示到屏幕，这会导致可见的图形的不完整。
VK_PRESENT_MODE_MAILBOX_KHR	此模式为第二种模式的又一变种，当队列满的时候，应用程序并不会阻塞而是简单的将队尾的图像替换为新的。此模式可用于实现三缓冲。只有VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR模式被保证绝对存在，因此，我们需要查询最优的可用模式。

图像视图和采样器

图像视图

交换链的图像数据不是直接访问，而是通过图像视图VkImage。

如下是创建图像视图代码：

void createImageViews() {
	swapChainImageViews.resize(swapChainImages.size());

	for (size_t i = 0; i < swapChainImages.size(); ++i) {
		VkImageViewCreateInfo createInfo{};
		createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_VIEW_CREATE_INFO;
		createInfo.image = swapChainImages[i];
		createInfo.viewType = VK_IMAGE_VIEW_TYPE_2D;
		createInfo.format = swapChainImageFormat;
		createInfo.components.r = VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY;
		createInfo.components.g = VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY;
		createInfo.components.b = VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY;
		createInfo.components.a = VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY;
		createInfo.subresourceRange.aspectMask = VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT;
		createInfo.subresourceRange.baseMipLevel = 0;
		createInfo.subresourceRange.levelCount = 1;
		createInfo.subresourceRange.baseArrayLayer = 0;
		createInfo.subresourceRange.layerCount = 1;

		if (vkCreateImageView(device, &createInfo, nullptr, &swapChainImageViews[i]) != VK_SUCCESS) {
			throw std::runtime_error("failed to create image views!");
		}
	}
}

创建渲染通道(VkRenderPass)

对于一个复杂的图形应用程序，需要多个过程的配合，以生成图像的各个部分。通常，各个过程间存在着依赖关系，例如某个过程生成的图像（输出）被另一个过程使用（作为此过程的输入）。在Vulkan中，每个过程被称为一个子通道(subpass), 所有的子通道构成了一个渲染通道(VkRenderPass).
RenderPass是Pipeline的一次执行。RenderPass本质是由CPU发起的一系列绘制任务，即DrawCall，其本身没有任何真正的数据，旨在明确渲染执行步骤，确保GPU执行的规范化。每次提交Draw call命令之后，到输出一张或多张图片结果。

Attachment

Attachment(RenderPass附着): 每个Pass设置图像输出的目标画布。一张画布就是一个Attachment。

ColorAttachment:每一个Pass,负责承接颜色输出的画布；一个Pass可以有多个ColorAttachment,分别输出不同含义的颜色信息
DepthStencilAttachment:每一个Pass,负责承接深度/模板信息输出的画布；一个Pass只能有一个此类Attachment

图片格式：一个Attachment其实就是一张图片，就得有自己的存储格式。如：

画布格式	说明
VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED	不关心其格式
VK_IMAGE_LAYOUT_COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL	适合颜色附着的优化格式
VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_OPTIMAL	适合深度模板附着的优化格式