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。

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：