Vulkan是新一代跨平台绘图接口，是Khronos最新推出的产品。本书首先介绍Vulkan系统并展示其独特性能。本书将讲述如何与硬件设备建立连接，以查询可用的队列、内存类型和提供的功能；介绍如何获取知识以将各种操作命令记录到命令缓冲区中，并将其提交到适当的队列以进行GPU处理；详细讨论内存管理，并演示如何使用缓冲区和图像资源来为呈现引擎和顶点缓冲区创建绘图纹理和图像视图，以存储几何信息；以及简要介绍SPIR-V等。

帕敏德·辛格（Parminder Singh），是一位计算机图形学工程师，来自于新加坡的Blackmagic Design。在过去的十年里，他一直致力于网络模拟、几何建模、导航、自动驾驶、信息娱乐系统、图像处理及后期制作等领域的图形应用开发。他的研究领域包括泛图形的GPU编程及其通用计算、平台移植以及性能优化技术。他是Vulkan、Metal以及OpenGL ES方面的培训教师，并且编写了同样由Packt出版的OpenGL ES 3.0 Cookbook一书。他的业余爱好包括旅行、轻食料理，他很喜欢与自己年幼的女儿共同享受美好的时光。

Vulkan图形接口的广泛应用和发展，以及与OpenGL相比的优缺点。指出Vulkan入门门槛较高，需要大量知识积累，但作为底层图形接口，它为研究者提供了更好的工具。同时，Vulkan简化了图形接口，使得开发者能更专注于算法封装和框架设计，提高了图形学基础知识的理解和应用。尽管如此，Vulkan的学习和应用仍存在一定困难，需要不断探索和实践。



译者序

Vulkan API是一种用于3D图形和计算应用程序开发的高性能新架构。该架构旨在发挥现代图形处理器单元的潜能，通过直接控制宿主机计算资源，实现更高的性能。AMD基于Mantle API设计并开源了Vulkan，随后Khronos组织发布了这一标准。与OpenGL相比，Vulkan具有更低的驱动负载和CPU使用量，更强的多线程可扩展性，明确的API定义，预编译的中间级着色语言，以及更直接的GPU访问。此外，Vulkan的设计还提供了更明确的内存控制、可预测的行为模式、单一的API接口和可选的错误检查与验证功能。它支持多种类型的GPU硬件，并具有跨平台特性，适用于多个操作系统平台。

在编程模型方面，首先需要了解Vulkan的编程模型、渲染执行模型以及其工作流程。启动时，应用程序需初始化硬件设备，并与加载器通信以激活Vulkan驱动。Vulkan采用WSI API，支持多种窗口系统，实现图像交换链管理。在资源设置中，Vulkan允许应用程序显式管理内存，包括不同类型的内存堆和内存分配方式。流水线设置包括描述符集、SPIR-V着色器、流水线对象和指令记录等。最后，将指令缓存提交到队列中处理，支持异步执行。本章深入讲解了Vulkan的基本工作流程和编程模型，为后续学习奠定基础。

Vulkan API的设计理念是将直接控制宿主机计算资源的能力赋予开发者，从而实现高性能的3D图形和计算应用程序开发。相比OpenGL，它在多线程可扩展性、内存控制和GPU访问等方面具有明显优势。在编程模型方面，Vulkan的工作流程包括初始化硬件设备、与加载器通信激活驱动、使用WSI API支持多种窗口系统、显式管理内存以及设置流水线等。通过学习Vulkan的基本工作流程和编程模型，开发者可以为后续的开发打下坚实基础。

第1章 开始学习新一代3D图形API

Vulkan的安装和开发是一个系统的过程。首先，了解软件和硬件的兼容性至关重要。接下来，安装Vulkan驱动程序、Python、CMake和LunarG SDK是必不可少的步骤。驱动程序需要与硬件匹配，而Python、CMake和SDK则搭建了开发环境的基础。

在安装完毕后，通过运行示例程序来检验安装是否成功。此外，文章简要介绍了Vulkan的开发流程，包括初始化、交换链初始化、指令缓存初始化、资源对象创建、展示表面创建、深度图像创建以及着色器支持等，这些步骤帮助构建一个基本的Vulkan应用程序。

在渲染流程方面，从创建着色器模块开始，着色器文件通过SPIR-V格式转换为二进制中间文件。随后，构建描述符与流水线布局，将资源与着色器绑定，并创建描述符集和流水线布局。接下来，创建渲染通道，定义通道属性，并创建帧缓存，将绘制图像关联到渲染通道。定义几何体，将顶点数据上传到GPU内存，并通过顶点输入绑定描述符和顶点输入属性描述符，将顶点数据格式传递到底层流水线。创建流水线，定义状态，如顶点输入状态、光栅化状态等，并使用流水线缓存构建流水线状态对象。执行渲染通道，获取绘制表面，准备渲染通道的控制参数结构体，并执行渲染通道的各个操作。最后，将指令缓存发送到队列，等待任务执行，并通过展示层将渲染结果展示到显示窗口中。

为了帮助读者更好地理解Vulkan，文章还通过伪代码展示了“Hello World！！！”程序，强调了学习Vulkan基础的重要性。这些基础知识对于后续编程至关重要。文章还展望了下一章的内容，包括核心编程方法、Vulkan实例、设备、队列等概念，旨在帮助读者更深入地与GPU进行通信。

第2章 你的第一个Vulkan伪代码程序

LunarG SDK在Vulkan程序开发中扮演着关键角色。为了充分利用SDK，开发者需要按照以下步骤进行下载、安装和配置环境变量。文章详细阐述了使用CMake构建Vulkan应用程序的过程，包括编写CMakeLists.txt文件、指定Vulkan SDK路径、引入库文件和头文件目录等。

Vulkan图形API将设备分为物理设备和逻辑设备两类。物理设备指的是实际硬件，如GPU，而逻辑设备是物理设备在应用中的抽象表示。与OpenGL不同，Vulkan直接向应用端暴露系统实际运算设备，允许应用枚举所有物理设备。

文章深入介绍了枚举物理设备、查询物理设备扩展、获取物理设备属性以及查询物理设备内存属性的方法。同时，详细说明了创建逻辑设备的过程，包括队列族和队列的查询与创建。这些内容让读者能够全面理解Vulkan在硬件设备连接和资源分配方面的应用细节。

具体来说，开发者首先需要下载并安装LunarG SDK，然后配置环境变量以便在开发过程中能够顺利使用。接着，使用CMake来设置构建环境，通过编写CMakeLists.txt文件，设置Vulkan SDK路径，添加必要的库文件和头文件目录。

在了解Vulkan的基本概念后，文章转向了物理设备和逻辑设备的区别。物理设备代表实际的硬件资源，而逻辑设备是对物理设备的抽象，方便在应用中操作。文章进一步阐述了如何枚举物理设备，查询其扩展和属性，以及获取内存属性。

创建逻辑设备是Vulkan开发的关键步骤。文章详细介绍了创建逻辑设备的流程，包括配置队列族和队列。这一过程对于开发者来说至关重要，因为它直接关系到应用如何与硬件资源进行交互。

通过上述内容，读者可以全面掌握Vulkan在硬件设备连接和资源分配方面的应用。这不仅有助于提高开发效率，还能让开发者更深入地理解Vulkan的工作原理。

第3章 连接硬件设备

Vulkan的调试功能，它能够验证应用程序的实现过程，检查API的用法是否正确，并对每个参数进行验证。调试功能默认是禁用的，需要在创建实例时显式启用。启用后，它会插入到指令调用链中，对每个指令进行验证。在应用程序中启用调试功能的步骤包括添加扩展名、定义验证层、获取调试API函数指针、创建调试报告对象以及销毁调试报告对象。此外，还介绍了LunarG验证层的功能，如参数验证、对象跟踪、API参数检查等。最后，通过实例级扩展和层来启用调试功能，并通过回调获取报告。



第4章 调试Vulkan程序

Vulkan API中的指令缓存机制旨在提高应用程序的性能。它通过录制和重用指令，分为主指令缓存和次指令缓存两种类型。主指令缓存负责执行次指令缓存中的指令，并将结果发送到队列。指令缓存的分配通过指令池实现，这有助于减少资源创建时的性能消耗。在多线程环境中，为每个线程创建单独的指令池是推荐的做法，以确保指令缓存的同步运行。

Vulkan采用显式同步机制，与OpenGL的隐式同步相比，能避免潜在风险，并提高硬件端的工作效率。指令缓存包含行为、状态管理和同步等多种指令类型。指令缓存提交到硬件队列的过程是异步的，通过将指令缓存分批次打包，可以提升效率。Vulkan提供了指令池和指令缓存管理的API函数，包括创建、重置、销毁、分配、释放和记录指令缓存等。

Vulkan的内存管理分为宿主机内存和设备内存两种类型。宿主机内存容量较大，但速度较慢，主要用于存储API内部数据结构。而设备内存直接连接物理设备，访问速度快，但容量有限。Vulkan的内存分配器机制允许程序控制内存分配，其中VkAllocationCallbacks结构体和自定义回调函数用于管理宿主机内存。设备内存的分配通过vkAllocateMemory函数完成，成功后会返回VkDeviceMemory对象。Vulkan还支持将设备内存映射到宿主机，通过vkMapMemory和vkUnmapMemory函数实现。这些概念和API函数的详细介绍为深入理解Vulkan内存管理打下了基础。

第5章 Vulkan中的指令缓存和内存管理

在Vulkan中，图像资源是保存数据的内存区域视图，是交换链实现的基础。它分为缓存和图像两大类，本章主要讨论图像资源。图像资源包括图像、图像布局和图像视图三个概念，其中图像用于表示纹理对象，图像布局是存储图像纹理信息的特定实现方式，而图像视图是访问图像对象的外部接口。

创建图像需要设置一系列参数，如用途类型、重复贴图模式和布局方式等。创建图像资源的过程包括创建图像对象、分配图像内存、设置图像布局格式、创建图像视图等步骤。

图像交换和翻转过程依赖于展示模式，可能与垂直刷新间隔（VBI）相关，也可能是一旦可以进行绘制就触发更新。交换链功能可以通过扩展API调用，需要首先启用VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME。创建交换链的工作流包括创建空白窗口、查询交换链扩展、创建表面并关联到窗口、获取可用的图像格式、查询交换链图像表面属性、管理展示模式信息、创建交换链和颜色图像、创建深度图像、深度图的内存分配、创建指令池、创建指令缓存、图像布局、添加流水线屏障、完成指令缓存的录制、创建深度图像视图等步骤。

在Vulkan中，图像视图的创建过程包括创建与图像对象对应的图像视图、获取图像对象的个数、创建深度图等。通过fpGetSwapchainimagesKHR函数获取图像对象的个数，然后为每个图像对象创建一个图像视图，并将其存储在一个向量列表中。深度图对于3D图形应用程序至关重要，它可以通过深度测试从渲染完成的图像中获取深度信息。

创建深度图时，需要设置图像的用途参数为VK_IMAGE_USAGE_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_BIT，并使用vkCreateImage函数创建图像对象。接下来，通过vkGetimageMemoryRequirements函数获取深度图的内存需求，并判断最合适的内存类型。最后，将物理内存分配并绑定到深度图像，并通过布局变换将图像从一种布局转换为另一种布局，以便CPU可以采用线性布局存储图像数据，然后转换到优化布局，提高GPU读取图像的效率。

本章主要讲解了交换链的创建和展示窗口的构建流程，分为初始化和渲染两个阶段。在初始化阶段，我们需要执行交换链的初始化、创建和运行，并创建一个本地平台相关的空白窗口。在渲染阶段，通过VulkanRenderer实现展示窗口的渲染，并展示输出窗口。同时，本章还介绍了图像资源的概念、图像对象、图像布局和图像视图，以及如何创建深度图像和实现图像变换。最后，本章为交换链中的图像创建了图像视图，并介绍了帧缓存和渲染通道的概念，为后续学习打下基础。

第6章 图像资源分配与交换链构建

Vulkan是一个高性能的3D图形API，它提供了强大的功能和灵活性。在Vulkan中，缓存资源是用于保存连续数据组，如顶点坐标和纹理坐标的关键组件。这些资源通过VkBuffer对象来表示，并可以直接访问。创建缓存资源需要使用vkCreateBuffer函数，而销毁时则使用vkDestroyBuffer。缓存视图则是为了使着色器能够访问缓存中的数据而设计的，通过vkCreateBufferView创建，销毁时使用vkDestroyBufferView。

创建缓存资源涉及创建缓存对象、分配内存和绑定内存等步骤。例如，顶点缓存可以通过VulkanDrawable类中的createVertexBuffer函数来实现。这个函数负责将几何体保存到GPU内存中的缓存资源。

在Vulkan API中，渲染通道和帧缓存同样至关重要。渲染通道由附件描述符、子通道描述符等组成，定义了渲染过程中的图像处理方式。创建和销毁渲染通道，以及使用渲染通道创建帧缓存的过程，都是Vulkan中不可或缺的步骤。示例程序展示了如何设置渲染通道实例的背景颜色，并实现了清除背景颜色的功能。

着色器在图形渲染中扮演着重要角色，包括几何着色器、片元着色器和计算着色器等。几何着色器基于前序着色器的结果产生新的几何体，而片元着色器则负责处理光栅化生成的片元并进行着色。计算着色器在大规模并行计算中发挥重要作用。

SPIR-V是由Khronos Group提出的二进制中间语言，用于着色器和计算核心单元。SPIR-V具有平台无关性，可以由多种高级语言（如GLSL和HLSL）编译而成，提供了多种编译方式，包括离线编译和实时编译。使用glslangValidator程序，可以将GLSL着色器编译为SPIR-V格式，着色器构建的基本流程也得到详细介绍。

第7章 缓存资源、渲染通道、帧缓存以及

Vulkan是一个高效的图形和计算API，其中流水线是其核心概念之一。流水线包括图形流水线和计算流水线，前者负责将2D/3D场景绘制成2D光栅化图像，后者则用于处理计算性任务，如缓存和图像资源的更新。整个流水线执行过程从输入装配到光栅化，再到片元着色器和缓存处理。

在Vulkan中，流水线状态对象、流水线缓冲对象和流水线布局是三大基本概念，它们能够高效地控制底层流水线的操作。通过VulkanPipeline类，我们可以实现对流水线的管理，同时通过PCO缓冲流水线对象，降低流水线创建的负担。

PCO（流水线缓冲对象）在图形和计算流水线中发挥着重要作用，确保了流水线的可复用性。通过API函数`vkCreatePipelineCache()`创建PCO，使用`vkMergePipelineCaches()`合并两个PCO，可以提升流水线效率。PCO可以将信息保存为字节流，便于应用程序在不同运行之间复用。创建PCO涉及初始化`VkPipelineCacheCreateInfo`结构体，并通过`vkCreatePipelineCache()`创建对象。

在图形流水线中，`vkCreateGraphicsPipelines()`用于创建包含着色器阶段、渲染通道和流水线布局的对象。在计算流水线中，`vkCreateComputePipeline()`用于创建包含静态计算着色器和流水线布局的对象。每个流水线状态对象控制着流水线的不同阶段，如动态状态、顶点输入状态、输入装配状态等，使流水线能够灵活配置，满足不同应用程序的需求。

光栅化在Vulkan图形管线中占据重要地位。它将图元转换为片元，并基于片元计算帧缓存中的像素。文章详细讨论了颜色融混过程，包括融混参数、融混操作符、融混常数等，以及如何通过结构体`VkPipelineColorBlendStateCreateInfo`进行控制。同时，还介绍了视口管理、深度测试和模板测试等概念，以及如何通过结构体`VkPipelineViewportStateCreateInfo`和`VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo`进行控制。最后，文章提到了多重采样状态，如何通过结构体`VkPipelineMultisampleStateCreateInfo`实现图像的抗锯齿效果。

Vulkan中的流水线相关内容还包括构建完整的图形流水线对象，涉及渲染通道、绑定流水线、提供几何体数据等步骤。同时，文章也提到了同步图元、栅栏、信号量和事件等同步机制。通过以上内容，我们可以更好地理解Vulkan中流水线的概念和应用。

第8章 流水线和流水线状态管理

Vulkan的绘制过程分为准备和渲染两个阶段。在准备阶段，首先创建指令缓存，接着录制绘制指令，包括绑定图形流水线、设置视口、裁切和绘制物体。进入渲染阶段后，执行指令缓存中的指令，完成物体渲染。Vulkan通过VulkanDrawable类的prepare()和render()函数实现这两个阶段。

具体来说，准备阶段包括创建指令缓存、录制指令和执行指令。其中，录制指令时，会绑定图形流水线、设置视口、裁切和绘制物体。而渲染阶段则是获取交换链图像，发送指令缓存，并将渲染图像显示到展示引擎端。

在准备过程中，一旦完成指令缓存的准备工作，就可以重复使用指令缓存进行物体绘制。绘制过程分为三步：获取交换链图像索引、提交指令缓存至图形队列、展示渲染完成的图像。这一过程通过调用vkAcquireNextImageKHR获取图像索引，使用submitCommandBuffer提交指令缓存，最后通过vkQueuePresentKHR将图像提交给展示引擎。

此外，Vulkan还介绍了如何通过vkCmdDrawIndexed绘制索引几何体。同步图元在Vulkan中也扮演着重要角色，它们用于实现代码的并行执行。其中包括栅栏、信号量、事件和屏障，分别用于不同场景的同步。栅栏用于宿主机和设备之间的同步，信号量用于队列之间的同步，事件用于队列提交时的同步，屏障用于指令缓存中指令之间的同步。

在实际应用中，创建、等待、销毁和重设这些同步图元的方法也被详细介绍了。此外，处理窗口尺寸变化时的资源重新构建也是确保渲染效果准确性的关键。通过掌握这些知识，可以更好地理解和运用Vulkan进行高效渲染。

第9章 绘制对象

在Vulkan图形库中，描述符及其相关概念扮演着至关重要的角色。描述符集对象由多个描述符组成，它们记录着资源信息，如着色器和用户资源。描述符集与着色器通过描述符集布局进行绑定，确保资源与着色器之间的有效交互。

描述符集布局的创建和销毁是本章的重点，同时还包括了流水线布局的设置，涉及创建、销毁流水线布局以及描述符池的创建和销毁。读者通过这些内容可以深入理解描述符和描述符集在Vulkan图形库中的应用。

实现一致变量在Vulkan中是一个关键过程。首先，需要创建描述符集并分配描述符，随后将描述符布局信息保存到descLayout对象中。描述符集初始为空白，需通过写入或复制描述符数据来更新。在代码示例中，写入描述符设置了一致变量数据和其他状态信息，并将其绑定到目标描述符集对象。更新操作通过vkUpdateDescriptorSets函数执行，其中write描述符作为参数传入。

在Vulkan中，一致变量的实现方法和执行模型涉及到多个步骤。通过描述符集，我们可以对渲染对象执行3D变换，包括模型、视图和投影的变换。本章详细介绍了初始化描述符、创建描述符布局、设置流水线布局、创建一致变量缓存、描述符池以及描述符集等步骤。此外，还讲解了如何在每一帧更新变换矩阵，以及如何将描述符集绑定到指令缓存中。通过推送常数的更新，提高了着色器常量数据更新的效率。这些内容为理解Vulkan中的渲染流程和优化提供了坚实基础。

第10章 描述符与推送常数

Vulkan图像资源的创建和使用涉及多个步骤。首先，创建图像对象，这需要指定一系列状态参数。接下来，为图像分配内存并设置布局，确保其与设备兼容。最后，将图像转换为图像视图，以便在着色器中访问。

在着色器阶段，要绑定纹理资源并使其在片元着色器中可用，需对代码进行相应修改。此外，还需解析图像文件，将无压缩数据读取到本地数据结构体中，以便为Vulkan图像资源构建和着色器阶段共享提供便利。

本地图像数据结构体TextureData用于保存所有与图像相关的属性。书中详细介绍了加载图像文件的方法，包括如何使用GLI库加载和创建纹理，以及如何设置纹理坐标和更新着色器程序。

创建图像对象、内存分配和绑定、存储数据到设备内存等操作也是关键步骤。同时，还需创建指令缓存对象和设置图像布局。最后，探讨创建图像采样器和图像视图，并介绍优化平铺和线性平铺的实现方法。

以下是着色器阶段绑定纹理资源并访问纹理资源的代码示例：

```c
// 假设纹理资源已经创建并绑定到纹理单元0
glUseProgram(program);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureID);
glUniform1i(textureSamplerLocation, 0);

// 设置纹理坐标和绘制图形
glVertexAttribPointer(positionLocation, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, positions);
glEnableVertexAttribArray(positionLocation);

glVertexAttribPointer(textureCoordLocation, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, textureCoordinates);
glEnableVertexAttribArray(textureCoordLocation);

glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, numVertices);
```

在这个示例中，`program` 是着色器程序对象，`textureID` 是纹理资源ID，`textureSamplerLocation` 是纹理采样器在着色器中的位置，`positions` 和 `textureCoordinates` 分别是顶点位置和纹理坐标数据。

通过上述步骤，我们可以创建并使用Vulkan图像资源，实现高效且灵活的图像处理。

Vulkan学习指南