Vulkan与OpenGL对比——Vulkan的全新渲染架构

OpenGL是Khronos Group组织发布的跨平台图像渲染引擎。在这里科普一下Khronos组织，由Intel、Nvidia等公司共同创立，致力于创建开放标准的应用程序API。大名鼎鼎的OpenGL、OpenGL ES、WebGL、Vulkan都是来自Khronos。而vulkan称为“下一版本的OpenGL”，旨在提供更低的CPU开销和更多GPU控制。Android API 24以后支持vulkan，iOS在WWDC2014也推出Metal图像渲染。本文主要探讨Vulkan的全新渲染架构。

目录

一、OpenGL与Vulkan渲染架构

1、OpenGL渲染架构

2、Vulkan渲染架构

3、OpenGL与Vulkan互操作

二、Vulkan Components

三、Graphics Pipeline

四、Memory & Objects

1、Memory

2、Objects

五、Shaders

1、SPIR-V结构

2、GLSL转换SPIR-V

六、Image & ImageView

七、Buffer & Command-Buffer

1、Buffer

2、Command-Buffer

八、Synchronization & Descriptor-Set

1、Synchronization

2、Descriptor-Set

九、Resource Management

十、Multi-Thread & Thread Safety

1、Multi-Thread

2、Thread Safety

---

一、OpenGL与Vulkan渲染架构

1、OpenGL渲染架构

OpenGL架构分为三层：应用层、驱动层、GPU层。OpenGL命令从应用层经过驱动层，再到GPU层处理；OpenGL资源从应用层经过驱动层(由图像管线状态机管理)，再到GPU层的内存。OpenGL具体架构如下图所示：

2、Vulkan渲染架构

Vulkan架构也是分为三层：应用层、驱动层、GPU层。Command-Buffer从应用层经过驱动层，再到GPU层处理。Vulkan资源也是从应用层经过驱动层(由内存管理器管理)，再到GPU层的内存。Vulkan具体架构如下图所示：

3、OpenGL与Vulkan互操作

OpenGL与Vulkan互操作包括如下步骤，如下图所示：

• 可供替代的WSI；
• 创建OpenGL上下文和通用操作；
• 创建Vulkan设备；
• 在OpenGL与Vulkan之间循环渲染；
• OpenGL与Vulkan混合渲染；

二、Vulkan Components

Vulkan组件包括：Memory、Image、ImageView、FrameBuffer、Sampler、Graphics pipiline、Descriptor-set、Command-buffer、Device等。各组件之间关系如下图所示：

从Image到ImageView，再到FrameBuffer，最终到达Render-Pass。其中FrameBuffer比OpenGL更简单、不需要为资源定义角色，Render-Pass真正为FrameBuffer定义角色、可以有多个Sub-Pass。具体示意图如下：

三、Graphics Pipeline

图像管线具有如下特点，如下图所示：

• 描述所有状态，包括着色器；
• 预编译；
• 在初始化时机完成；
• 防止渲染时过度校验；
• 某些渲染状态可以从中排除，变成动态状态；

此外，图像管线必须与着色器一致、没有内省。如下图所示：

四、Memory & Objects

1、Memory

Memory来自Heap堆内存。Memory分为Video和System两种形式，其中Video由rgb或rgba组成，而System主要由矩阵组成。Memory可以转化为Image。Memory关系图如下：

2、Objects

Objects对象包括以下特点，如下图所示：

• 引用数据缓冲区的Vulkan对象需要绑定内存；
• Vulkan设备暴露不同的内存堆；
• 这些堆有不同的内存类型；

五、Shaders

1、SPIR-V结构

SPIR-V全称Standard, Portable Intermediate Representation - V，是一种用于GPU通用计算的标准化中间语言。它的模块结构包括：rotate、lighting、vtx_main、frag_wood、frag_pastic、frag_metal等。它具有以下特征，具体如下图所示：

• 多个入口点：可以被定义在单个SPIR-V着色器模块；
• 防止重复代码：着色器模块使用多个图像管线；
• 允许共享代码片段；
• 更容易共享通用的着色器代码；

2、Vulkan读取GLSL

着色器具有如下图特点：

• Vulkan使用SPIR-V直接传递到驱动层；
• NVIDIA允许直接编译GLSL；

Vulkan读取GLSL过程如下图所示，可以通过VK_NV_glsl_shader直接读取GLSL，也可以经过glslang读取再转换为SPIR-V，最终到达Vulkan。

六、Image & ImageView

Image与ImageView有如下特点，如下图所示：

• Image代表所有类型的像素数组；
• 纹理：颜色或深度模板；
• 渲染目标：颜色或深度模板；
• 当ImageView需要特定格式时，需要正确暴露Images；
• 给着色器使用；
• 给帧缓冲区使用；

七、Buffer & Command-Buffer

1、Buffer

Buffer缓冲区具有如下特点，如下图所示：

• 用于不同场景，包括：索引/顶点缓存，统一缓存；
• Vulkan对象必须绑定到设备内存，可以被CPU访问与缓存，被GPU访问；

2、Command-Buffer

命令缓冲区具有如下特点，如下图所示：

• Vulkan可以渲染命令缓冲区数据；
• GPU大多数情况以FIFO形式获取；
• 可以被创建用于一个或多个子任务；
• 不能从GPU创建图形工作；
• 支持多线程；
• 主Cmd-buffer可以调用二级Cmd-buffer；

八、Synchronization & Descriptor-Set

1、Synchronization

同步方式有三种，如下图所示：

• 信号量；
• 事件和屏障；
• 栅栏；

2、Descriptor-Set

描述集具有如下特点，如下图所示：

• 每个描述集持有资源的引用；
• 描述集布局定义资源如何放置到描述集合中；
• 命令缓冲区可以高效绑定它们；
• 它们必须匹配着色器期望的每个阶段；

九、Resource Management

十、Multi-Thread & Thread Safety

1、Multi-Thread

Vulkan支持多线程渲染，每个线程由本地命令缓存池，具体如下图所示：

2、Thread Safety

命令缓存池是线程安全的，提供fence栅栏进行隔离，具体以下特点，如下图所示：

• 不能回收用于重写的命令缓冲区，直到它不再被使用；
• 不能刷新队列的每个帧；
• VkFences可以提供队列等待，当命令缓冲区准备被回收时；

参考文献：

Vulkan官网

Khronos Group组织

Nvidia开发者官网Vulkan

Android开发者官网Vulkan

iOS开发者官网Metal