Vulkan(0)搭建环境-清空窗口

认识Vulkan

Vulkan是新一代3D图形API,它继承了OpenGL的优点,弥补了OpenGL的缺憾。有点像科创板之于主板,歼20之于歼10,微信之于QQ,网店之于实体店,今日之于昨日。

使用OpenGL时,每次drawcall都需要向OpenGL提交很多数据。而Vulkan可以提前将这些drawcall指令保存到一个buffer(像保存顶点数据到buffer一样),这样就减少了很多开销。

使用OpenGL时,OpenGL的Context会包含很多你并不打算使用的东西,例如线的宽度、混合等。而Vulkan不会提供这些你用不到的东西,你需要什么,你来指定。(当然,你不指定,Vulkan不会自动地提供)

Vulkan还支持多线程,OpenGL这方面就不行了。

Vulkan对GPU的抽象比OpenGL更加细腻。

搭建环境

本文和本系列都将使用C#和Visual Studio 2017来学习使用Vulkan。

首先,在官网(https://vulkan.lunarg.com)下载vulkan-sdk.exe和vulkan-runtime.exe。完后安装。vulkan-runtime.exe也可以在(https://files.cnblogs.com/files/bitzhuwei/vulkan-runtime.rar)下载。vulkan-sdk.exe太大,我就不提供下载了。

然后,下载Vulkan.net库(https://github.com/bitzhuwei/Vulkan.net)。这是本人搜罗整理来的一个Vulkan库,外加一些示例代码。用VS2017打开Vulkan.sln,在这个解决方案下就可以学习使用Vulkan了。

如果读者在Github上的下载速度太慢,可以试试将各个文件单独点开下载。这很笨,但也是个办法。

简单介绍下此解决方案。

Vulkan文件夹下的Vulkan.csproj是对Vulkan API的封装。Vulkan使用了大量的struct、enum,这与OpenGL类似。

Vulkan.Platforms文件夹下的Vulkan.Platforms.csproj是平台相关的一些API。

Lesson01Clear文件夹下的是第一个示例,展示了Vulkan清空窗口的代码。以后会逐步添加更多的示例。

有了这个库,读者就可以运行示例程序,一点点地读代码,慢慢理解Vulkan了。这也是本人用的最多的学习方法。遇到不懂的就上网搜索,毕竟我没有别人可以问。

这个库还很不成熟,以后会有大的改动。但这不妨碍学习,反而是学习的好资料,在变动的过程中方能体会软件工程的精髓。

清空窗口

用Vulkan写个清空窗口的程序,就像是用C写个hello world。

外壳

新建Windows窗体应用程序。

添加对类库Vulkan和Vulkan.Platforms的引用:

添加此项目的核心类型LessonClear。Vulkan需要初始化(Init)一些东西,在每次渲染时,渲染(Render)一些东西。

 namespace Lesson01Clear {
unsafe class LessonClear { bool isInitialized = false; public void Init() {
if (this.isInitialized) { return; } this.isInitialized = true;
} public void Render() {
if (!isInitialized) return; }
}
}

添加一个User Control,用以调用LessonClear。

 namespace Lesson01Clear {
public partial class UCClear : UserControl { LessonClear lesson; public UCClear() {
InitializeComponent();
} protected override void OnLoad(EventArgs e) {
base.OnLoad(e); this.lesson = new LessonClear();
this.lesson.Init();
} protected override void OnPaintBackground(PaintEventArgs e) {
var lesson = this.lesson;
if (lesson != null) {
lesson.Render();
}
}
}
}

在主窗口中添加一个自定义控件UCClear。这样,在窗口启动时,就会自动执行LessonClear的初始化和渲染功能了。

此时的解决方案如下:

初始化

要初始化的东西比较多,我们一项一项来看。

VkInstance

在LessonClear中添加成员变量VkInstance vkIntance,在InitInstance()函数中初始化它。

     unsafe class LessonClear {
VkInstance vkIntance;
bool isInitialized = false; public void Init() {
if (this.isInitialized) { return; } this.vkIntance = InitInstance(); this.isInitialized = true;
} private VkInstance InitInstance() {
VkLayerProperties[] layerProperties;
Layer.EnumerateInstanceLayerProperties(out layerProperties);
string[] layersToEnable = layerProperties.Any(l => StringHelper.ToStringAnsi(l.LayerName) == "VK_LAYER_LUNARG_standard_validation")
? new[] { "VK_LAYER_LUNARG_standard_validation" }
: new string[]; var appInfo = new VkApplicationInfo();
{
appInfo.SType = VkStructureType.ApplicationInfo;
uint version = Vulkan.Version.Make(, , );
appInfo.ApiVersion = version;
} var extensions = new string[] { "VK_KHR_surface", "VK_KHR_win32_surface", "VK_EXT_debug_report" }; var info = new VkInstanceCreateInfo();
{
info.SType = VkStructureType.InstanceCreateInfo;
extensions.Set(ref info.EnabledExtensionNames, ref info.EnabledExtensionCount);
layersToEnable.Set(ref info.EnabledLayerNames, ref info.EnabledLayerCount);
info.ApplicationInfo = (IntPtr)(&appInfo);
} VkInstance result;
VkInstance.Create(ref info, null, out result).Check(); return result;
}
}

VkInstance的extension和layer是什么,一时难以说清,先不管。VkInstance像是一个缓存,它根据用户提供的参数,准备好了用户可能要用的东西。在创建VkInstance时,我明显感到程序卡顿了1秒。如果用户稍后请求的东西在缓存中,VkInstance就立即提供给他;如果不在,VkInstance就不给,并抛出VkResult。

以“Vk”开头的一般是Vulkan的结构体,或者对某种Vulkan对象的封装。

VkInstance就是一个对Vulkan对象的封装。创建一个VkInstance对象时,Vulkan的API只会返回一个 IntPtr 指针。在本库中,用一个class VkInstance将其封装起来,以便使用。

创建一个VkInstance对象时,需要我们提供给Vulkan API一个对应的 VkInstanceCreateInfo 结构体。这个结构体包含了创建VkInstance所需的各种信息,例如我们想让这个VkInstance支持哪些extension、哪些layer等。对于extension,显然,这必须用一个数组指针IntPtr和extension的总数来描述。

     public struct VkInstanceCreateInfo {
public VkStructureType SType;
public IntPtr Next;
public UInt32 Flags;
public IntPtr ApplicationInfo;
public UInt32 EnabledLayerCount;
public IntPtr EnabledLayerNames;
public UInt32 EnabledExtensionCount; // 数组元素的数量
public IntPtr EnabledExtensionNames; // 数组指针
}

这样的情况在Vulkan十分普遍,所以本库提供一个扩展方法来执行这一操作:

     /// <summary>
/// Set an array of structs to specified <paramref name="target"/> and <paramref name="count"/>.
/// <para>Enumeration types are not allowed to use this method.
/// If you have to, convert them to byte/short/ushort/int/uint according to their underlying types first.</para>
/// </summary>
/// <param name="value"></param>
/// <param name="target">address of first element/array.</param>
/// <param name="count">How many elements?</param>
public static void Set<T>(this T[] value, ref IntPtr target, ref UInt32 count) where T : struct {
{ // free unmanaged memory.
if (target != IntPtr.Zero) {
Marshal.FreeHGlobal(target);
target = IntPtr.Zero;
count = ;
}
}
{
count = (UInt32)value.Length; int elementSize = Marshal.SizeOf<T>();
int byteLength = (int)(count * elementSize);
IntPtr array = Marshal.AllocHGlobal(byteLength);
var dst = (byte*)array;
GCHandle pin = GCHandle.Alloc(value, GCHandleType.Pinned);
IntPtr address = Marshal.UnsafeAddrOfPinnedArrayElement(value, );
var src = (byte*)address;
for (int i = ; i < byteLength; i++) {
dst[i] = src[i];
}
pin.Free(); target = array;
}
}

这个Set<T>()函数的核心作用是:在非托管内存上创建一个数组,将托管内存中的数组T[] value中的数据复制过去,然后,记录非托管内存中的数组的首地址(target)和元素数量(count)。当然,如果这不是第一次让target记录非托管内存中的某个数组,那就意味着首先应当将target指向的数组释放掉。

如果这里的T是枚举类型, Marshal.SizeOf() 会抛出异常,所以,必须先将枚举数组转换为 byte/short/ushort/int/uint 类型的数组。至于Marshal.SizeOf为什么会抛异常,我也不知道。

如果这里的T是string,那么必须用另一个变种函数代替:

     /// <summary>
/// Set an array of strings to specified <paramref name="target"/> and <paramref name="count"/>.
/// </summary>
/// <param name="value"></param>
/// <param name="target">address of first element/array.</param>
/// <param name="count">How many elements?</param>
public static void Set(this string[] value, ref IntPtr target, ref UInt32 count) {
{ // free unmanaged memory.
var pointer = (IntPtr*)(target.ToPointer());
if (pointer != null) {
for (int i = ; i < count; i++) {
Marshal.FreeHGlobal(pointer[i]);
}
}
}
{
int length = value.Length;
if (length > ) {
int elementSize = Marshal.SizeOf(typeof(IntPtr));
int byteLength = (int)(length * elementSize);
IntPtr array = Marshal.AllocHGlobal(byteLength);
IntPtr* pointer = (IntPtr*)array.ToPointer();
for (int i = ; i < length; i++) {
IntPtr str = Marshal.StringToHGlobalAnsi(value[i]);
pointer[i] = str;
}
target = array;
}
count = (UInt32)length;
}
}

public static void Set(this string[] value, ref IntPtr target, ref UInt32 count)

实现和解释起来略显复杂,但使用起来十分简单:

 var extensions = new string[] { "VK_KHR_surface", "VK_KHR_win32_surface", "VK_EXT_debug_report" };
extensions.Set(ref info.EnabledExtensionNames, ref info.EnabledExtensionCount);
var layersToEnable = new[] { "VK_LAYER_LUNARG_standard_validation" };
layersToEnable.Set(ref info.EnabledLayerNames, ref info.EnabledLayerCount);

在后续创建其他Vulkan对象时,我们将多次使用这一方法。

创建VkInstance的内部过程,就是调用Vulkan API的问题:

 namespace Vulkan {
public unsafe partial class VkInstance : IDisposable {
public readonly IntPtr handle;
private readonly UnmanagedArray<VkAllocationCallbacks> callbacks; public static VkResult Create(ref VkInstanceCreateInfo createInfo, UnmanagedArray<VkAllocationCallbacks> callbacks, out VkInstance instance) {
VkResult result = VkResult.Success;
var handle = new IntPtr();
VkAllocationCallbacks* pAllocator = callbacks != null ? (VkAllocationCallbacks*)callbacks.header : null;
fixed (VkInstanceCreateInfo* pCreateInfo = &createInfo) {
vkAPI.vkCreateInstance(pCreateInfo, pAllocator, &handle).Check();
} instance = new VkInstance(callbacks, handle); return result;
} private VkInstance(UnmanagedArray<VkAllocationCallbacks> callbacks, IntPtr handle) {
this.callbacks = callbacks;
this.handle = handle;
} public void Dispose() {
VkAllocationCallbacks* pAllocator = callbacks != null ? (VkAllocationCallbacks*)callbacks.header : null;
vkAPI.vkDestroyInstance(this.handle, pAllocator);
}
} class vkAPI {
const string VulkanLibrary = "vulkan-1"; [DllImport(VulkanLibrary, CallingConvention = CallingConvention.Winapi)]
internal static unsafe extern VkResult vkCreateInstance(VkInstanceCreateInfo* pCreateInfo, VkAllocationCallbacks* pAllocator, IntPtr* pInstance); [DllImport(VulkanLibrary, CallingConvention = CallingConvention.Winapi)]
internal static unsafe extern void vkDestroyInstance(IntPtr instance, VkAllocationCallbacks* pAllocator);
}
}

在 public static VkResult Create(ref VkInstanceCreateInfo createInfo, UnmanagedArray<VkAllocationCallbacks> callbacks, out VkInstance instance); 函数中:

第一个参数用ref标记,是因为这样就会强制程序员提供一个 VkInstanceCreateInfo 结构体。如果改用 VkInstanceCreateInfo* ,那么程序员就有可能提供一个null指针,这对于Vulkan API的 vkCreateInstance() 是没有应用意义的。

对第二个参数提供null指针是有应用意义的,但是,如果用 VkAllocationCallbacks* ,那么此参数指向的对象仍旧可能位于托管内存中(从而,在后续阶段,其位置有可能被GC改变)。用 UnmanagedArray<VkAllocationCallbacks> 就可以保证它位于非托管内存

对于第三个参数,之所以让它用out标记(而不是放到返回值上),是因为 vkCreateInstance() 的返回值是 VkResult 。这样写,可以保持代码的风格与Vulkan一致。如果以后需要用切面编程之类的的方式添加log等功能,这样的一致性就会带来便利。

在函数中声明的结构体变量(例如这里的 var handle = new IntPtr(); ),可以直接取其地址( &handle )。

创建VkInstance的方式方法流程,与创建其他Vulkan对象的方式方法流程是极其相似的。读者可以触类旁通。

VkSurfaceKhr

在LessonClear中添加成员变量VkSurfaceKhr vkSurface,在InitSurface()函数中初始化它。

 namespace Lesson01Clear {
unsafe class LessonClear {
VkInstance vkIntance;
VkSurfaceKhr vkSurface;
bool isInitialized = false; public void Init(IntPtr hwnd, IntPtr processHandle) {
if (this.isInitialized) { return; } this.vkIntance = InitInstance();
this.vkSurface = InitSurface(this.vkIntance, hwnd, processHandle); this.isInitialized = true;
} private VkSurfaceKhr InitSurface(VkInstance instance, IntPtr hwnd, IntPtr processHandle) {
var info = new VkWin32SurfaceCreateInfoKhr {
SType = VkStructureType.Win32SurfaceCreateInfoKhr,
Hwnd = hwnd, // handle of User Control.
Hinstance = processHandle, //Process.GetCurrentProcess().Handle
};
return instance.CreateWin32SurfaceKHR(ref info, null);
}
}
}

可见,VkSurfaceKhr的创建与VkInstance遵循同样的模式,只是CreateInfo内容比较少。VkSurfaceKhr需要知道窗口句柄和进程句柄,这样它才能渲染到相应的窗口/控件上。

VkPhysicalDevice

这里的物理设备指的就是我们的计算机上的GPU了。

 namespace Lesson01Clear {
unsafe class LessonClear {
VkInstance vkIntance;
VkSurfaceKhr vkSurface;
VkPhysicalDevice vkPhysicalDevice;
bool isInitialized = false; public void Init(IntPtr hwnd, IntPtr processHandle) {
if (this.isInitialized) { return; } this.vkIntance = InitInstance();
this.vkSurface = InitSurface(this.vkIntance, hwnd, processHandle);
this.vkPhysicalDevice = InitPhysicalDevice(); this.isInitialized = true;
} private VkPhysicalDevice InitPhysicalDevice() {
VkPhysicalDevice[] physicalDevices;
this.vkIntance.EnumeratePhysicalDevices(out physicalDevices);
return physicalDevices[];
}
}
}

创建VkPhysicalDivice对象不需要Callback:

 namespace Vulkan {
public unsafe partial class VkPhysicalDevice {
public readonly IntPtr handle; public static VkResult Enumerate(VkInstance instance, out VkPhysicalDevice[] physicalDevices) {
if (instance == null) { physicalDevices = null; return VkResult.Incomplete; } UInt32 count;
VkResult result = vkAPI.vkEnumeratePhysicalDevices(instance.handle, &count, null).Check();
var handles = stackalloc IntPtr[(int)count];
if (count > ) {
result = vkAPI.vkEnumeratePhysicalDevices(instance.handle, &count, handles).Check();
} physicalDevices = new VkPhysicalDevice[count];
for (int i = ; i < count; i++) {
physicalDevices[i] = new VkPhysicalDevice(handles[i]);
} return result;
} private VkPhysicalDevice(IntPtr handle) {
this.handle = handle;
}
}
}

在函数中声明的变量(例如这里的 var handle = new IntPtr(); ),可以直接取其地址( &handle )。

但是在函数中声明的数组,数组本身是在中的,不能直接取其地址。为了能够取其地址,可以用( var handles = stackalloc IntPtr[(int)count]; )这样的方式,这会将数组本身创建到函数自己的空间,从而可以直接取其地址了。

VkDevice

这个设备是对物理设备的缓存\抽象\接口,我们想使用物理设备的哪些功能,就在CreateInfo中指定,然后创建VkDevice。(不指定的功能,以后就无法使用。)后续各种对象,都是用VkDevice创建的。

namespace Lesson01Clear {
unsafe class LessonClear {
VkInstance vkIntance;
VkSurfaceKhr vkSurface;
VkPhysicalDevice vkPhysicalDevice;
VkDevice vkDevice; bool isInitialized = false; public void Init(IntPtr hwnd, IntPtr processHandle) {
if (this.isInitialized) { return; } this.vkIntance = InitInstance();
this.vkSurface = InitSurface(this.vkIntance, hwnd, processHandle);
this.vkPhysicalDevice = InitPhysicalDevice();
VkSurfaceFormatKhr surfaceFormat = SelectFormat(this.vkPhysicalDevice, this.vkSurface);
VkSurfaceCapabilitiesKhr surfaceCapabilities;
this.vkPhysicalDevice.GetSurfaceCapabilitiesKhr(this.vkSurface, out surfaceCapabilities); this.vkDevice = InitDevice(this.vkPhysicalDevice, this.vkSurface); this.isInitialized = true;
} private VkDevice InitDevice(VkPhysicalDevice physicalDevice, VkSurfaceKhr surface) {
VkQueueFamilyProperties[] properties = physicalDevice.GetQueueFamilyProperties();
uint index;
for (index = ; index < properties.Length; ++index) {
VkBool32 supported;
physicalDevice.GetSurfaceSupportKhr(index, surface, out supported);
if (!supported) { continue; } if (properties[index].QueueFlags.HasFlag(VkQueueFlags.QueueGraphics)) break;
} var queueInfo = new VkDeviceQueueCreateInfo();
{
queueInfo.SType = VkStructureType.DeviceQueueCreateInfo;
new float[] { 1.0f }.Set(ref queueInfo.QueuePriorities, ref queueInfo.QueueCount);
queueInfo.QueueFamilyIndex = index;
} var deviceInfo = new VkDeviceCreateInfo();
{
deviceInfo.SType = VkStructureType.DeviceCreateInfo;
new string[] { "VK_KHR_swapchain" }.Set(ref deviceInfo.EnabledExtensionNames, ref deviceInfo.EnabledExtensionCount);
new VkDeviceQueueCreateInfo[] { queueInfo }.Set(ref deviceInfo.QueueCreateInfos, ref deviceInfo.QueueCreateInfoCount);
} VkDevice device;
physicalDevice.CreateDevice(ref deviceInfo, null, out device); return device;
}
}
}

后续的Queue、Swapchain、Image、RenderPass、Framebuffer、Fence和Semaphore等都不再一一介绍,毕竟都是十分类似的创建过程。

最后只介绍一下VkCommandBuffer。

VkCommandBuffer

Vulkan可以将很多渲染指令保存到buffer,将buffer一次性上传到GPU内存,这样以后每次调用它即可,不必重复提交这些数据了。

 namespace Lesson01Clear {
unsafe class LessonClear {
VkInstance vkIntance;
VkSurfaceKhr vkSurface;
VkPhysicalDevice vkPhysicalDevice; VkDevice vkDevice;
VkQueue vkQueue;
VkSwapchainKhr vkSwapchain;
VkImage[] vkImages;
VkRenderPass vkRenderPass;
VkFramebuffer[] vkFramebuffers;
VkFence vkFence;
VkSemaphore vkSemaphore;
VkCommandBuffer[] vkCommandBuffers;
bool isInitialized = false; public void Init(IntPtr hwnd, IntPtr processHandle) {
if (this.isInitialized) { return; } this.vkIntance = InitInstance();
this.vkSurface = InitSurface(this.vkIntance, hwnd, processHandle);
this.vkPhysicalDevice = InitPhysicalDevice();
VkSurfaceFormatKhr surfaceFormat = SelectFormat(this.vkPhysicalDevice, this.vkSurface);
VkSurfaceCapabilitiesKhr surfaceCapabilities;
this.vkPhysicalDevice.GetSurfaceCapabilitiesKhr(this.vkSurface, out surfaceCapabilities); this.vkDevice = InitDevice(this.vkPhysicalDevice, this.vkSurface); this.vkQueue = this.vkDevice.GetDeviceQueue(, );
this.vkSwapchain = CreateSwapchain(this.vkDevice, this.vkSurface, surfaceFormat, surfaceCapabilities);
this.vkImages = this.vkDevice.GetSwapchainImagesKHR(this.vkSwapchain);
this.vkRenderPass = CreateRenderPass(this.vkDevice, surfaceFormat);
this.vkFramebuffers = CreateFramebuffers(this.vkDevice, this.vkImages, surfaceFormat, this.vkRenderPass, surfaceCapabilities); var fenceInfo = new VkFenceCreateInfo() { SType = VkStructureType.FenceCreateInfo };
this.vkFence = this.vkDevice.CreateFence(ref fenceInfo);
var semaphoreInfo = new VkSemaphoreCreateInfo() { SType = VkStructureType.SemaphoreCreateInfo };
this.vkSemaphore = this.vkDevice.CreateSemaphore(ref semaphoreInfo); this.vkCommandBuffers = CreateCommandBuffers(this.vkDevice, this.vkImages, this.vkFramebuffers, this.vkRenderPass, surfaceCapabilities); this.isInitialized = true;
} VkCommandBuffer[] CreateCommandBuffers(VkDevice device, VkImage[] images, VkFramebuffer[] framebuffers, VkRenderPass renderPass, VkSurfaceCapabilitiesKhr surfaceCapabilities) {
var createPoolInfo = new VkCommandPoolCreateInfo {
SType = VkStructureType.CommandPoolCreateInfo,
Flags = VkCommandPoolCreateFlags.ResetCommandBuffer
};
var commandPool = device.CreateCommandPool(ref createPoolInfo);
var commandBufferAllocateInfo = new VkCommandBufferAllocateInfo {
SType = VkStructureType.CommandBufferAllocateInfo,
Level = VkCommandBufferLevel.Primary,
CommandPool = commandPool.handle,
CommandBufferCount = (uint)images.Length
};
VkCommandBuffer[] buffers = device.AllocateCommandBuffers(ref commandBufferAllocateInfo);
for (int i = ; i < images.Length; i++) { var commandBufferBeginInfo = new VkCommandBufferBeginInfo() {
SType = VkStructureType.CommandBufferBeginInfo
};
buffers[i].Begin(ref commandBufferBeginInfo);
{
var renderPassBeginInfo = new VkRenderPassBeginInfo();
{
renderPassBeginInfo.SType = VkStructureType.RenderPassBeginInfo;
renderPassBeginInfo.Framebuffer = framebuffers[i].handle;
renderPassBeginInfo.RenderPass = renderPass.handle;
new VkClearValue[] { new VkClearValue { Color = new VkClearColorValue(0.9f, 0.7f, 0.0f, 1.0f) } }.Set(ref renderPassBeginInfo.ClearValues, ref renderPassBeginInfo.ClearValueCount);
renderPassBeginInfo.RenderArea = new VkRect2D {
Extent = surfaceCapabilities.CurrentExtent
};
};
buffers[i].CmdBeginRenderPass(ref renderPassBeginInfo, VkSubpassContents.Inline);
{
// nothing to do in this lesson.
}
buffers[i].CmdEndRenderPass();
}
buffers[i].End();
}
return buffers;
}
}
}

本例中的VkClearValue用于指定背景色,这里指定了黄色,运行效果如下:

总结

如果看不懂本文,就去看代码,运行代码,再来看本文。反反复复看,总会懂。

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