Что такое vulkan в видеокарте

Что означает появление технологии Vulkan для пользователей

На минувшей неделе стало известно о глобальном релизе графических драйверов, которые отныне поддерживают новый низкоуровневый API Vulkan. Первыми, кто обратил внимание на эту новость, стали геймеры с настольными компьютерами, поскольку Vulkan в первую очередь затрагивает работу графической составляющей и со временем должен заменить морально устаревший стандарт OpenGL ES. Последний дебютировал ещё в те времена, когда компьютеры работали на одноядерных процессорах и большинство пользователей даже не задумывались о многоядерных высокопроизводительных устройствах. Однако всё меняется, и число доступных ядер в настольных и мобильных процессорах уже приближается к дюжине. Для максимально эффективного использования их потенциала и была начата работа над новым API.

В общем представлении Vulkan должен принести улучшенный игровой и пользовательский опыт, а также более высокое качество игр, в том числе на Android. По сравнению с традиционными OpenGL и Direct3D, Vulkan предоставляет возможность реализовать многопоточность и более эффективно использовать центральный процессор. Технология изначально основана на разработке от AMD под названием Mantle, однако вскоре идея была подхвачена консорциумом Khronos Group, в который сегодня входит больше 100 членов по всему миру. Vulkan версии 1.0 был выпущен для Windows, Linux и Android. Особенно большое влияние Vulkan окажет именно на мобильную платформу, поскольку предоставит разработчикам прямой доступ к GPU для полного контроля над его работой. Можно ожидать не только повышение качества изображения, но и уменьшение энергопотребления при том же результате.

Что означает появление технологии Vulkan для пользователей

NVIDIA уже опубликовала необходимые образы для разработчиков, чтобы те могли адаптировать их к нынешним Android-планшетам с чипами NVIDIA, однако сегодня их доля на рынке мизерна. Среди Khronos Group мелькают имена известных производителей, в частности, Google, Samsung, Sony, Qualcomm, Huawei и некоторых других, однако как скоро они начнут внедрять Vulkan, сказать довольно сложно. Хочется верить, что Google сделает Vulkan приоритетной разработкой для Android, однако пока что об этом официально ничего не сообщается.

Источник

Vulkan. Руководство разработчика. Настройка окружения

Я переводчик ижевской компании CG Tribe и здесь я буду публиковать перевод руководства к Vulkan API. Ссылка на источник — vulkan-tutorial.com. Это моя вторая публикация, которая посвящена переводу раздела Development Environment.

9. Загрузка моделей

10. Создание мип-карт

FAQ

Политика конфиденциальности

1. Вступление

2. Краткий обзор

3. Настройка окружения

Windows

Если вы занимаетесь разработкой для Windows, то, скорее всего, вы используете Visual Studio. Для полной поддержки С++17 необходимо использовать Visual Studio 2017 или 2019. Шаги, описанные ниже, подходят для VS 2017.

Vulkan SDK

Самым важным компонентом для разработки программ с Vulkan является SDK. Он включает в себя заголовочные файлы, стандартные слои валидации, инструменты отладки и загрузчик функций Vulkan. Загрузчик ищет методы драйвера в рантайме (во время исполнения) так же, как это делает библиотека GLEW для OpenGL.

SDK можно загрузить с сайта LunarG. Для этого используйте кнопки внизу страницы. Вам необязательно создавать аккаунт, однако с ним у вас будет доступ к дополнительной документации.

Если вы получили сообщение об ошибке, убедитесь, что ваша видеокарта поддерживает Vulkan, а драйвер обновлен до последней версии. См. главу Введение, в которой даны ссылки на драйверы крупных производителей.

В этой папке есть и другие программы, которые могут оказаться полезными для разработки. Программы glslangValidator.exe и glslc.exe используются для компиляции шейдеров из GLSL в байт-код. Подробно эта тема будет рассмотрена в главе Шейдерные модули. В папке Bin также находятся dll библиотеки загрузчика Vulkan и слоёв валидации, в папке Lib — статические библиотеки, а в папке Include – заголовочные файлы Vulkan. Вы можете изучить и другие файлы, но для руководства они нам не понадобятся.

Как уже было сказано, Vulkan – это API, независимый от платформы, в котором нет инструментов создания окна для отображения результатов рендеринга. Чтобы использовать преимущества кроссплатформенности Vulkan и избежать ужасов Win32, мы будем использовать библиотеку GLFW для создания окна. Есть и другие доступные библиотеки, например, SDL, но GLFW лучше тем, что она абстрагирует не только создание окна, но и некоторые другие платформенно-зависимые функции.

В отличие от DirectX 12, в Vulkan нет библиотеки для операций линейной алгебры, поэтому ее придется скачать отдельно. GLM – это удобная библиотека, разработанная для использования с графическими API, она часто используется с OpenGL.

Библиотека GLM – это header only библиотека. Скачайте последнюю версию и сохраните ее в удобном месте. У вас должна получиться подобная структура каталогов:

Настройка Visual Studio

После установки всех библиотек мы можем настроить проект Visual Studio для Vulkan и написать немного кода, чтобы убедиться, что все работает.

Добавьте в файл код, указанный ниже. Вам необязательно пытаться понять его сейчас, важно узнать, соберется ли и запустится ли программа. В следующей главе мы начнем описание с самых азов.

Добавьте include директории для Vulkan, GLFW и GLM:

Перейдите в Linker → General → Additional Library Directories и добавьте расположения lib-файлов для Vulkan и GLFW:

Введите имена lib-файлов Vulkan и GLFW:

И измените настройки стандарта на C++:

Теперь вы можете закрыть диалог с настройками проекта. Если все сделано верно, подсветки ошибок в коде больше не будет.

Не забудьте выбрать для компиляции 64-битный режим.

Проверьте, чтобы число расширений не равнялось нулю («X extensions supported» в консоли).

Поздравляем, вы готовы к работе с Vulkan!

Linux

Инструкции ниже предназначены для пользователей Ubuntu, но вы можете следовать им, изменив команды apt на подходящие вам команды менеджера пакетов. Вам нужен компилятор с поддержкой С++17 (GCC 7+ или Clang 5+). Вам также понадобится утилита make.

Vulkan Packages

Самыми важными компонентами для разработки с использованием Vulkan под Linux являются загрузчик Vulkan, слои валидации и несколько утилит командной строки для проверки совместимости вашего компьютера с Vulkan:

Если вы получили сообщение об ошибке, убедитесь, что ваша видеокарта поддерживает Vulkan, а драйвер обновлен до последней версии. См. главу Введение, в которой даны ссылки на драйверы крупных производителей.

Как уже было сказано, Vulkan – это API, независимый от платформы, в котором нет инструментов создания окна для отображения результатов рендеринга. Чтобы использовать преимущества кроссплатформенности Vulkan и избежать ужасов X11, мы будем использовать библиотеку GLFW для создания окна. Есть и другие доступные библиотеки, например, SDL, но GLFW лучше тем, что она абстрагирует не только создание окна, но и некоторые другие платформенно-зависимые функции.

Мы будем устанавливать GLFW с помощью следующей команды:

В отличие от DirectX 12, в Vulkan нет библиотеки для операций линейной алгебры, поэтому ее придется скачать отдельно. GLM – это удобная библиотека, разработанная для использования с графическими API, она часто используется с OpenGL.

Библиотека GLM – это header only библиотека. Ее можно установить из пакета libglm-dev :

Компилятор шейдеров

Теперь, когда настройка почти завершена, осталось установить программу для компиляции шейдеров из GLSL в байт-код.

glslc: error: no input files

Мы подробно рассмотрим glslc в главе о шейдерных модулях.

Настройка проекта для makefile

После установки всех библиотек мы можем настроить проект makefile для Vulkan и написать немного кода, чтобы убедиться, что все работает.

Аналогично определите базовые флаги линкера в переменной LDFLAGS :

Флаг -lglfw подключает библиотеку GLFW, -lvulkan — загрузчик Vulkan, а остальные флаги — низкоуровневые библиотеки и зависимости самой GLFW.

Запуск команды make test позволит убедиться, что программа работает успешно. При закрытии пустого окна программа должна завершиться успешным кодом возврата ( 0 ). У вас должен получиться готовый makefile, похожий на приведенный ниже:

MacOS

Инструкции ниже предназначены для тех, кто использует Xcode и менеджер пакетов Homebrew. Имейте в виду, что версия MacOS не должна быть ниже 10.11, а ваше устройство должно поддерживать Metal API.

Vulkan SDK

Самым важным компонентом для разработки программ с Vulkan является SDK. Он включает в себя заголовочные файлы, стандартные слои валидации, инструменты отладки и загрузчик функций Vulkan. Загрузчик ищет методы драйвера в рантайме (во время исполнения) так же, как это делает библиотека GLEW для OpenGL.

SDK можно загрузить с сайта LunarG. Для этого используйте кнопки внизу страницы. Вам необязательно создавать аккаунт, однако с ним у вас будет доступ к дополнительной документации.

Версия SDK для MacOS использует библиотеку MoltenVK. MacOS не имеет прямой поддержки Vulkan, а MoltenVK используется как прослойка для передачи вызовов в Apple Metal. Благодаря этому вы можете воспользоваться преимуществами отладки и производительности Apple Metal.

Как уже было сказано, Vulkan – это API, независимый от платформы, в котором нет инструментов создания окна для отображения результатов рендеринга. Мы будем использовать библиотеку GLFW для создания окна. Есть и другие доступные библиотеки, например, SDL, но GLFW лучше тем, что она абстрагирует не только создание окна, но и некоторые другие платформенно-зависимые функции.

Для установки GLFW на MacOS мы будем использовать менеджер пакетов Homebrew:

В Vulkan нет библиотеки для операций линейной алгебры, поэтому ее придется скачать отдельно. GLM – это удобная библиотека, разработанная для использования с графическими API, она часто используется с OpenGL.

Библиотека GLM – это header only библиотека. Ее можно установить из пакета glm :

Настройка Xcode

Запустите Xcode и создайте новый проект Xcode. В появившемся окне выберите Application > Command Line Tool.

Имейте в виду, вам необязательно пытаться понять весь код сейчас. Мы просто хотим использовать некоторые вызовы API, чтобы убедиться, что все работает правильно.

Xcode покажет некоторые ошибки, например, библиотеки, которые не были найдены. Необходимо настроить проект так, чтобы устранить эти ошибки. Выберите ваш проект в панели Project Navigator. Откройте вкладку Build Settings и выполните следующее:

(На скриншоте на каждый параметр приходится по одному пути. Но, если следовать этому мануалу, вы получите по два пути на параметр. — Прим. пер.)

Конфигурация Xcode должна иметь следующий вид:

Осталось настроить несколько переменных среды. В панели инструментов Xcode перейдите в Product > Scheme > Edit Scheme. и во вкладке Arguments добавьте две переменные среды:

• VK_ICD_FILENAMES = vulkansdk/macOS/share/vulkan/icd.d/MoltenVK_icd.json
• VK_LAYER_PATH = vulkansdk/macOS/share/vulkan/explicit_layer.d

У вас должно получиться следующее:

Итак, настройка завершена! После запуска проекта (не забудьте установить конфигурацию сборки Debug или Release) вы увидите следующее:

Число расширений должно быть больше нуля («X extensions supported» в консоли). Остальные логи берутся из библиотек. Вы можете получать разные сообщения в зависимости от вашей конфигурации.

Поздравляем! Теперь вы готовы к реальной работе с Vulkan.

Источник

Vulkan. Руководство разработчика. Графический конвейер

Я переводчик в IT-компании CG Tribe, и я продолжаю выкладывать перевод руководства к Vulkan API (vulkan-tutorial.com).

Сегодня я хочу поделиться с вами переводом первых двух глав раздела, посвященного графическому конвейеру (Graphics pipeline basics), — Introduction и Shader modules.

9. Загрузка моделей

10. Создание мип-карт

FAQ

Политика конфиденциальности

Вступление

В течение следующих нескольких глав мы будем настраивать графический конвейер, который позволит нам нарисовать первый треугольник. Графический конвейер — это последовательность операций, которые преобразуют вершины и текстуры мешей в пиксели в render target-ах.

Ниже представлена упрощенная схема:

Input assembler собирает сырые данные вершин из буферов. На этом этапе также может использоваться индексный буфер, который избавляет от необходимости дублировать данные вершин для повторяющихся элементов.

Вершинный шейдер (vertex shader) вызывается для каждой вершины и используется, в основном, для трансформации вершин из локальной системы координат в экранную. Также он передает данные каждой вершины далее по конвейеру.

Шейдеры тесселяции (tessellation shaders) позволяют увеличить количество мешей за счет дополнительного разбиения геометрии. Их часто используют, чтобы сделать близлежащие поверхности, например, кирпичные стены или лестницы, менее плоскими.

Геометрический шейдер (geometry shader) вызывается для каждого примитива (треугольник, линия, точка) и может отменить их отрисовку или сгенерировать новые примитивы. Геометрический шейдер похож на шейдер тесселяции, только, в отличие от него, более гибкий. Однако он не часто используется в современных приложениях из-за недостаточно высокой производительности большинства видеокарт, за исключением встроенных графических процессоров Intel.

На этапе растеризации (rasterization) каждый примитив раскладывается на множество фрагментов. Фрагменты — это пиксельные элементы, которые заполняют примитивы во фреймбуфере. Все фрагменты, которые выходят за пределы экрана, отсекаются, а атрибуты, переданные вершинным шейдером, интерполируются по фрагментам, как показано на рисунке. Фрагменты, находящиеся за другими фрагментами, как правило, тоже отсекаются из-за теста глубины (depth testing).

Фрагментный шейдер (fragment shader) вызывается для каждого фрагмента и определяет, в какие фреймбуферы и с каким значением цвета и глубины записываются фрагменты. Для этого он использует интерполированные данные из вершинного шейдера, такие как текстурные координаты и нормали для освещения.

На этапе смешивания цветов (color blending) происходит смешивание различных фрагментов, относящихся к одному и тому же пикселю во фреймбуфере. Фрагменты могут перекрывать друг друга или смешиваться в зависимости от прозрачности.

Этапы, выделенные зеленым цветом, называются непрограммируемыми (fixed-function). На этих этапах вы можете корректировать операции с помощью параметров, но принцип их работы определен заранее.

Этапы, выделенные оранжевым цветом, — программируемые этапы (programmable). Это значит, что вы можете загрузить свой собственный код на видеокарту, чтобы выполнить необходимые операции. Это позволяет вам использовать, например, фрагментные шейдеры для самых разных задач от текстурирования и освещения до трассировки лучей. Эти программы запускаются одновременно на множестве ядер GPU для параллельной обработки таких объектов как вершины и фрагменты.

Некоторые программируемые этапы можно пропустить. Например, вы можете отключить тесселяцию и геометрический шейдер, если рисуете простую геометрию. Если вас интересуют только значения глубины (например, при создании карты теней), вы можете отключить фрагментный шейдер.

В следующей главе мы начнем с создания двух программируемых этапов, необходимых для отображения треугольника на экране: вершинного шейдера и фрагментного шейдера. Далее мы настроим непрограммируемые этапы, указав такие параметры, как режим смешивания и viewport. Заключительная часть создания графического конвейера включает настройку входных данных и выходных фреймбуферов.

Шейдерные модули

Преимущество использования байт-кода в том, что компиляторы, написанные производителями GPU и компилирующие шейдеры в нативный код, получаются значительно проще. К тому же прошлое показало, что при использовании человеко-ориентированного синтаксиса, как GLSL, некоторые вендоры интерпретировали стандарт весьма свободно. При написании нетривиальных шейдеров для GPU такого производителя был большой риск, что код окажется несовместим с драйверами других производителей или, еще хуже, из-за ошибок компилятора шейдер будет работать иначе. Простой формат байт-кода SPIR-V позволяет избежать этих проблем.

Нам не придется писать байт-код вручную. Khronos выпустил собственный компилятор, независимый от производителя, который компилирует GLSL в SPIR-V. Он проверяет, соответствует ли шейдерный код стандарту, и создает бинарный файл SPIR-V для использования в вашей программе. Также этот компилятор можно использовать в качестве библиотеки для создания SPIR-V в рантайме (во время исполнения), но в руководстве мы не будем этого делать. Вместо glslangValidator.exe мы будем использовать glslc.exe от Google. Преимущество glslc в том, что он использует тот же формат командной строки, что и компиляторы GCC или Clang, и включает некоторые дополнительные функции, например, includes. Обе программы уже включены в Vulkan SDK, поэтому не нужно скачивать ничего дополнительно.

Как уже было сказано, для отрисовки треугольника мы должны написать вершинный шейдер и фрагментный шейдер. В следующих двух пунктах мы рассмотрим код GLSL для каждого шейдера и покажем, как создать бинарные файлы SPIR-V и загрузить их в программу.

Вершинный шейдер

Вершинный шейдер обрабатывает каждую входящую вершину. В качестве входных данных он принимает вершинные атрибуты, такие как координаты в мировом пространстве, цвет, нормаль и текстурные координаты. Выходные данные — преобразованные координаты в пространстве отсечения (clip space) и атрибуты, которые передаются фрагментному шейдеру (например, цвет и текстурные координаты). Позже эти значения будут интерполированы по фрагментам для создания плавного градиента.

Координатами в пространстве отсечения называют четырехмерный вектор, принимаемый из вершинного шейдера, который преобразуется в нормализованные координаты устройства в результате деления вектора на его последний компонент. Нормализованные координаты устройства (normalized device coordinate) — это гомогенные координаты, находящиеся в диапазоне [-1, 1], и проецирующиеся на фреймбуфер, как показано на картинке ниже:

Если до этого вы работали с OpenGL, вы можете заметить, что координата Y теперь зеркально отражена. А для координаты Z задан тот же диапазон, что и в Direct3D, от 0 до 1.

Для нашего первого треугольника мы не будем применять никаких преобразований, а просто укажем положения трех вершин в нормализованных координатах устройства для создания такой фигуры:

Мы можем отдавать непосредственно нормализованные координаты устройства, используя координаты пространства отсечения с единицей в качестве последнего компонента. Таким образом, деление на w не изменит значения координат при переходе от клип пространства к экранному.

Как правило, нормализированные координаты хранятся в вершинном буфере, но создание вершинного буфера в Vulkan и заполнение его данными — задача нетривиальная. Поэтому мы отложим это до тех пор, пока на экране не появится первый треугольник. А пока применим небольшую хитрость: вставим координаты непосредственно в вершинный шейдер. Код будет выглядеть так:

Фрагментный шейдер

Вершины, полученные из вершинного шейдера, образуют треугольник, который должен быть заполнен фрагментами (пикселами) на экране. Фрагментный шейдер вызывается для каждого фрагмента и определяет его цвет и значение глубины во фреймбуфере (или фреймбуферах). Чтобы окрасить весь треугольник в красный цвет, используется простой фрагментный шейдер:

Цвет каждой вершины

Полностью красный треугольник выглядит слишком просто, может, сделаем его поинтереснее?

Для этого внесём кое-какие изменения в оба шейдера. Сначала укажем цвет для каждой из трех вершин. Вершинный шейдер должен включать в себя массив цветов:

Теперь нужно передать цвет каждой вершины во фрагментный шейдер, чтобы он мог вывести их интерполированные значения во фреймбуфер. Добавим выходную переменную для цвета в вершинный шейдер и заполним её в функции main :

Затем добавим соответствующую ему входную переменную во фрагментный шейдер:

Компиляция шейдеров

Содержимое файла shader.vert должно быть следующим:

А содержимое файла shader.frag следующим:

Замените путь к glslc.exe на путь установки Vulkan SDK. Дважды щелкните по файлу, чтобы запустить его.

Замените путь к glslc на путь установки Vulkan SDK. Сделайте скрипт исполняемым с помощью команды chmod + x compile.sh и запустите его.

Эти две команды говорят компилятору прочитать исходный файл GLSL и вывести его в байт-код SPIR-V с помощью флага -o (output).

Если в вашем шейдере есть синтаксическая ошибка, компилятор сообщит вам номер строки и укажет на проблему. Чтобы в этом убедиться, попробуйте, например, убрать точку с запятой откуда-нибудь из текста шейдеров и по новой запустить скрипт. Также можете запустить компилятор без аргументов, чтобы узнать, какие типы флагов он поддерживает. Кроме того, компилятор может, например, вывести байт-код в формат удобный для чтения, чтобы вы могли посмотреть, что делает шейдер и какие оптимизации были выполнены на этом этапе.

Компиляция шейдеров в командной строке — один из самых простых способов, который мы будем использовать в руководстве, но вы можете скомпилировать шейдеры непосредственно из вашего кода. Для этого в Vulkan SDK есть libshaderc — библиотека для компиляции кода GLSL в SPIR-V.

Загрузка шейдера

Пришло время загрузить шейдеры SPIR-V в нашу программу, чтобы позже подключить к графическому конвейеру. Прежде всего напишем простую вспомогательную функцию для загрузки бинарных данных из файлов.

Затем мы можем вернуть указатель в начало файла и считать все байты за один вызов:

И, наконец, закроем файл и возвратим буфер:

Создание шейдерных модулей

Функция принимает буфер с байт-кодом в качестве параметра и создает из него VkShaderModule.

В функцию передаются уже знакомые нам параметры: логическое устройство, указатель на структуру с необходимой информацией, опциональный указатель на кастомный аллокатор и выходная переменная. Буфер с кодом можно освободить сразу после создания шейдерного модуля. Не забудьте вернуть созданный шейдерный модуль:

Шейдерный модуль всего лишь тонкая обертка для шейдерного байт-кода, загруженного из файла, и объявленных в нем функций. Компиляция и линковка байт-кода SPIR-V в машинный код не произойдет до тех пор, пока не будет создан графический конвейер. Это значит, что мы можем уничтожить шейдерные модули сразу после создания конвейера. Поэтому в функции createGraphicsPipeline сделаем их локальными переменными вместо членов класса:

Уничтожим их в конце функции с помощью двух вызовов vkDestroyShaderModule. Остальной код в этой главе будет вставлен перед следующими строками:

Связываем шейдеры и конвейер

Чтобы использовать шейдеры, нужно подключить их к конкретным стадиям конвейера. Для этого при создании конвейера будем использовать структуру VkPipelineShaderStageCreateInfo.

А теперь сделаем практически то же самое для фрагментного шейдера:

Наконец создадим массив, содержащий подготовленные нами структуры. Это понадобится нам, чтобы ссылаться на них при создании конвейера.

В этой главе мы рассмотрели только программируемые этапы конвейера. В следующей главе мы перейдем к непрограммируемым этапам.

Источник