一、Vulkan开发理论基础知识
接口设计理念 Host&Device
- 客户端 + 服务端 / 逻辑段 + 渲染端 / CPU + GPU
- Host：一切由CPU与内存为基础进行的操作，例如模型的读取，鼠标键盘的事件响应，游戏引擎碰撞的逻辑，定时器等等。
- Device：一切由GPU与显存为基础的图形渲染、后处理等操作
基础设施——元数据和设备
- Instance
- 渲染程序的元数据，存有Vulkan版本号，引擎版本号，是否启用Debug，启动哪些拓展等基础数据。
- Surface
- 用来链接操作系统相关的窗口与Vulkan渲染出来的图像组件。
- GPU渲染完一帧将结果存入到显存中，想要显示到窗口中就需要Surface起到链接的作用，将渲染出来的图形组件放入窗口中。
- PhysicalDevice
- 物理设备显卡，多显卡时可以根据特性挑选一张进行渲染
- LogicalDevice
- 逻辑设备显卡，由逻辑设备在Host端远程发送句柄操控Device端的物理设备
- 逻辑设备显卡，由逻辑设备在Host端远程发送句柄操控Device端的物理设备
基础设施——交换链
水平消隐和垂直消隐
- 显示设备一般是从帧数据中读取显示的内容(RGB，纹理坐标…)，然后一行一行的填充每个像素刷新屏幕。
- 水平消隐：扫描完毕一行，回到下一行开头的时间
- 垂直消隐：一页扫描显示完毕，回到左上角的时间
存在的问题
- 如果在垂直消隐来临之前就更新了Buffer中的数据，屏幕就会产生撕裂和花屏现象。
- 在垂直消隐来临前，屏幕还没有完全刷新完，当改变Buffer时就会造成屏幕已经刷新的部分是上一帧的画面，即将刷新的是下一帧的画面，造成撕裂现象。
- 如果将Buffer的更新阻塞，直到垂直消隐来临才进行更新，那么 一帧的时间 = 刷新屏幕的时间 + 更新渲染Buffer的时间，速度会受到十分严重的影响。
解决方案——双Buffer缓存
- Buffer1：用于和屏幕空间交互，被读取显示到屏幕上
- Buffer2：缓存GPU的渲染数据
- 当屏幕空间进入垂直消隐期间，就可以交换两个缓冲区，从而实现无缝对接与并行工作
- 此时 一帧的时间 = 刷新屏幕的时间，省去了等待更新渲染Buffer的时间
- 这个过程就是由交换链(SwapChain)进行管理的
交换链 SwapChain
交换链管理着显存当中的N个渲染Buffer，它们组成Buffer队列交替使用
Shader着色器
顶点着色器 VertexShader
- 渲染管线中几何阶段的第一个步骤，对顶点进行基本的MVP变换和其它自定义变换
- 示例代码
#Version 450
//location 指定缓冲区的Index out和下一步接收的in的Location要对应
layout(location = 0) in vec4 inPos;
layout(location = 1) in vec3 inColor;
//UBO Binding内部数据，将MVP矩阵作为输入
layout(binding = 0) uniform UBO
{
mat4 projection;
mat4 model;
mat4 view;
}ubo;
//将Color输出，作为FragmentShader的输入
layout(location = 0) out vec3 outColor;
void main()
{
//系统变量
gl_Position = ubo.projection * ubo.view * ubo.model * inPos;
outColor = inColor;
}
片元着色器 FragmentShader
- 渲染管线中光栅化阶段，经过三角形遍历后，在三角形内部的像素点生成片元，一般进行颜色和纹理坐标的插值。
- 三角形线性插值算法
-
利用三个顶点存储的RGB、纹理坐标等数据插值得到内部所有片元对应的值。
-
上面是直接利用线性插值，求ColorL的过程，同理可以求出ColorR，然后在x轴方向再次线性插值就可以得到目标点的Color值了。
-
- 三角形重心坐标插值算法
- 先将片元的坐标系转换到重心坐标系下，(x,y) = αA + βB + γC，ABC是三角形三个顶点的坐标
- 再把三个系数对应乘以到需要插值的属性（Color,depth,textureCoor等）V = αVa + βVb + γVc
- 注意：重心坐标在View变换时3D到2D会改变偏移，不能将三维的属性(如depth)直接在投影后的平面三角形中做插值，需要先利用矩阵的逆变换，将其变换回三维空间下进行插值操作。
重心坐标通用公式
渲染管线 Pipeline
Unity的渲染管线流程大致如下图
- 渲染管线在Vulkan中属于一个对象，代表了从顶点一直到屏幕上生成像素的整个处理过程。
- Pipeline对象的每个阶段都提供了很多参数可以进行设置，以产生多种多样的渲染效果
- 有关渲染管线更详细的介绍可以见博主的另一篇文章https://blog.csdn.net/Q540670228/article/details/120094859
RenderPass
- RenderPass定义为一个渲染步骤，其不关心具体渲染的细节，只定义了渲染的大方向，定义渲染完毕的东西的去处，也就是渲染目标Render Targets
- 功能：指定渲染目标，指定批次，指定依赖等
- 在开启延迟渲染时，会将第一帧的结果暂存在缓冲区并作为下一帧的输入，第二帧的结果才真正显示到屏幕上，两个批次渲染一帧。
- RenderPass在Vulkan中也是一个对象。
Vertex的描述方法
- VkBuffer: GPU端开辟的一块显存，用于存放顶点数据
- BindingDescription: 描述VkBuffer数组的索引
- VkBuffer可能不唯一，例如顶点可以将position存入到一个buffer中，color存到另一个buffer中，多个buffer以数组的形式传入管线，需要对每个buffer编号。
- AttributeDescription: 描述顶点数据结构内的属性排布
- 对于单个顶点内部可能有多个属性，如图中就有position和color，需要编号进行指示。
Index缓冲–顶点索引
- 顶点索引：存储着构成三角形的点的索引，每三个索引对应的点构成一个三角形。
- 索引VkBuffer: 顶点索引也会存进一个VkBuffer,即索引VkBuffer，在需要获取时，需要根据每个元素的大小进行分割，即根据顶点的类型得知一块元素的大小（uint16等）
CommandBuffer
- CommandBuffer: 存储本帧需要绘制的所有命令
- 一般每个需要绘制的物体的命令都会先绘制到一个SecondaryCommandBuffer中，再统一绘制到PrimaryCommandBuffer中进而提交到任务队列，这个过程就是DrawCall。
- 拆分成多个Secondary有利于进行多线程工作，提高效率。
基础调用总结
