Vulkan 渲染流程

简单说明一下Vulkan的渲染流程，不涉及太具体的使用。

初始化

全局和设备

VkInstance，创建一个实例，包含应用的名字、版本、使用的VulkanAPI版本等；同时指定要启用的Instance 扩展和验证层。之后所有的Vulkan对象都是依赖它的

VkPhjysicsDevice，物理设备（GPU），先通过 vkEnumeratePhysicalDevices 查询主机上的 GPU。然后可以根据评分策略来选择合适的物理设备

VkDevice，在选定的 VkPhysicalDevice 上创建。需要指定要启用的 Device 拓展以及要创建哪些 queue family 的 queue，和每个 queue 的数量和优先级

VkQueue 队列按功能可以分为：

• Graphics queue：提交绘制命令。
• Compute queue：提交计算任务。
• Transfer queue：提交数据传输任务。
• Present queue：提交呈现任务（把 image 显示到屏幕）。

窗口和呈现

VkSurfaceKHR，窗口表面，由窗口系统（GLFW/Win32/X11 以及其他）创建。作用是沟通了Vulkan和OS的窗口，（如果离屏渲染就不需要这个）。

同时，它和物理设备共同决定这个 GPU 是否支持在该 surface 上呈现，以及支持哪些 surface format、present mode 等

VkSwapchainKHR，交换链，基于 VkDevice + VkSurfaceKHR 创建。本质上是一组可以被 present 出来的 VkImage 管理器。一些关键参数 ——

• minImageCount：交换链中 image 的数量（通常 2 或 3）。
• imageFormat / colorSpace：颜色格式。
• imageExtent：分辨率（通常等于窗口大小）。
• presentMode：呈现模式（FIFO / MAILBOX / IMMEDIATE 等）。

它的运行逻辑是在每一帧的时候用 vkAcquireNextImageKHR 从 swapchain 拿一张 image，接着渲染到这张 image 上，最后用 vkQueuePresentKHR 把它呈现到屏幕。

渲染配置

VkPipeline，用来描述GPU侧的渲染流程，大致为——

• Shader 阶段（vertex / fragment / optional others）。
• 顶点输入布局（vertex buffer 的格式）。
• 图元装配（点/线/三角形）。
• 光栅化设置（填充/线框、背面剔除、正面朝向）。
• 多重采样（MSAA）。
• 颜色混合（blending）。
• 深度/模板测试（如果有）。

值得注意，pipeline 一旦创建后不可修改，只能重新创建新的 pipeline。

更值得注意，因为它只是单纯的描述GPU侧的行为，所以Pipeline 必须与某个 RenderPass 的某个 Subpass 匹配，否则 pipeline 无法使用

VkRenderPass，用于描述渲染过程，pipeline 只是告诉 GPU 要怎么流水线式的工作，还需要一层用于描述完整渲染流程的工作 ——

• 使用哪些 attachment（color / depth / stencil）。
• 每个 attachment 的 load/store 行为（清空、保留、丢弃）。
• attachment 的初始布局和最终布局。
• subpass 之间的依赖关系。

可以简单理解为「这次渲染要怎么用这些图像资源」的高层脚本。

VkFramebuffer 具体的渲染目标实例

• 和 VkRenderPass 配合使用。
• 把一组具体的 VkImageView 绑定到 render pass 的 attachment 上。
• 对于 swapchain：
  • 通常是「每个 swapchain image 对应一个 framebuffer」。

即告诉本次渲染具体需要渲染到哪几张图上。

命令和同步

VkCommandBuffer，用来录制具体的 GPU 命令 ——

• 开始 render pass
• 绑定 pipeline
• 绑定 vertex buffer
• 发出 draw call 等。

录制完成后，通过 vkQueueSubmit 提交到某个 VkQueue 执行。

CommandBuffer 本身不执行任何操作，它只是一个“命令列表”。只有提交到 Queue 后才会被 GPU 执行

VkCommandPool，和某一个 Queue Family 绑定，用于分配 VkCommandBuffer，提升效率

异步的提交一定涉及到同步数据的问题 ——

• VkSemaphore 信号量
  • 用于 GPU-GPU 或 GPU-present 之间的同步。
  • 常见用法：
    • imageAvailableSemaphore：image 可用 → 才能开始渲染。
    • renderFinishedSemaphore：渲染完成 → 才能呈现。
• VkFence 栅栏
  • 用于 GPU-CPU 同步。
  • 常见用法：
    • CPU 等待某一帧的 GPU 提交完成，再重用对应的资源（command buffer、同步对象等）。

资源对象

VkBuffer，所有线性数据都存放在里面—— 顶点、索引、uniform、storage 等 VkImage：二维/三维图像数据（颜色贴图、深度贴图、G-buffer 等）。

但是需要注意，在VkBuffer和VkImage创建的时候并不会自动绑定内存，后面需要手动显式的分配/绑定

VkDescriptorSet （以及其他描述表）

• VkDescriptorSetLayout：描述 shader 可见的资源布局：
  • 第几个 binding 是 uniform buffer？
  • 第几个 binding 是 sampled image？
• VkDescriptorPool：用来分配 descriptor set 的池。
• VkDescriptorSet：具体的一组绑定：
  • 把某个 uniform buffer / image view / sampler 绑定到某个 binding 上。
• 作用：
  • 在 draw call 前，通过 vkCmdBindDescriptorSets 把这些资源绑定给 pipeline 使用。 可以理解为：「告诉 shader：你要的数据在哪」的描述表，单独设计这一层的原因是 Vulkan 不允许 shader 直接访问资源，必须通过 DescriptorSet 显式绑定资源，使得资源访问完全可追踪、可验证、可同步。

组装到一起

先初始化Instance和各个设备、模块；

然后是渲染过程——

1. CPU等待上一帧的 VkFence
2. vkAcquireNextImageKHR 从 swapchain 获取一张 image，signal imageAvailableSemaphore
3. 重置并录制 VkCommandBuffer：
   • vkCmdBeginRenderPass（指定 render pass + framebuffer + clear color）。
   • vkCmdBindPipeline。
   • 绑定 vertex buffer / descriptor set（如果有）。
   • vkCmdDraw。
   • vkCmdEndRenderPass。
4. 提交命令
   • 等待 imageAvailableSemaphore。
   • 执行 command buffer。
   • signal renderFinishedSemaphore + inFlightFence。
5. 展示图片
   • 等待 renderFinishedSemaphore。
   • 把对应的 swapchain image 呈现到屏幕。

不过一定要注意，这里 CPU/GPU、GPU/GPU、GPU/Present 之间的所有依赖是需要我们手动指定的，否则会产生数据竞争或未定义行为。

最后清理

![[Assets/Pasted image 20260312134308.png]]