vulkan是什么

vulkan是一款跨平臺的2d和3d圖形應(yīng)用程序接口，2015年由khronos在gdc發(fā)布。本質(zhì)上是amd mantle的后續(xù)版本，繼承了amd mantle強(qiáng)大的低開銷架構(gòu)，讓開發(fā)者可以方便全面的獲得gpu和多核cpu的性能、功能和效率。

與opengl相比，vulkan支持深度硬件控制，可以大大降低高負(fù)載繪圖任務(wù)中cpu的開銷。同時其對多核cpu的支持更加完善，更適合從高端工作站到pc平臺再到移動平臺的多核策略。

vulkan因其高性能、低成本而廣受歡迎。雖然上市時間不長，但是支持vulkan的游戲和應(yīng)用很多，比如doom dota2 飛車—無極限。

1.1 vulkan概述

在介紹具體的開發(fā)技術(shù)之前，本節(jié)先介紹vulkan的歷史傳承和一些技術(shù)特點(diǎn)，同時對vulkan和其他圖形應(yīng)用界面(opengl、directx、metal等)做一個簡單的比較。).比較后介紹一下目前支持vulkan的游戲，具體內(nèi)容如下。

1 . 1 . 1 vulkan簡介

在了解vulkan的具體知識之前，我們有必要先了解一下市場上主流的3d圖形應(yīng)用界面。目前各種平臺上主流的三維圖形api有opengl、opengl es、directx、metal、vulkan，各自的應(yīng)用領(lǐng)域和特點(diǎn)如下。

opengl應(yīng)用廣泛，支持多種操作系統(tǒng)平臺(如windows、unix、linux、macos等)。).基于它開發(fā)的應(yīng)用程序可以方便、低成本地在不同的操作系統(tǒng)平臺之間移植。它可以用來開發(fā)游戲和工業(yè)應(yīng)用。

opengl es是專門為移動嵌入式平臺設(shè)計的，實(shí)際上是opengl的裁剪版。去掉了opengl中很多不必要的特性，優(yōu)化了對性能和電源有限的移動嵌入式平臺的支持。

directx是微軟的專有技術(shù)，主要用于開發(fā)windows下的游戲，在這個領(lǐng)域占有非常高的比例。比較新版本是directx 12，大大優(yōu)化了對多核cpu的支持，但只支持windows 10。

金屬是蘋果的專有技術(shù)，只能在macos和ios下使用。應(yīng)用領(lǐng)域相對狹窄，目前基于它的應(yīng)用相對較少。

vulkan和opengl一樣，是跨平臺的3d圖形應(yīng)用界面，支持windows 7、windows 8.1、windows 10、linux、android等平臺。

vulkan比較早被稱為下一代opengl，項(xiàng)目名稱是glnext。它的設(shè)計考慮了統(tǒng)一平臺的開發(fā)，所以不像opengl和opengl es，根據(jù)硬件性能和電源區(qū)分不同版本，但是工作站、pc、移動嵌入式平臺等等是完全一致的。這對廣大開發(fā)者來說是一個很大的好處。

2016年2月16日，khronos組織發(fā)布了vulkan的第一個版本。從此，數(shù)字圖形技術(shù)行業(yè)產(chǎn)生了一個全新的圖形應(yīng)用程序接口，可以真正意義上與directx 12和metal抗衡。截止到2016年4月，google在android n的第二個開發(fā)預(yù)覽版中正式加入了對vulkan的支持，vulkan的主要特性如下。

vulkan提供了更低的運(yùn)行開銷、更直接的gpu控制和更低的cpu負(fù)載。它通過批處理的方式有效降低了cpu的負(fù)載，將cpu從額外的操作和渲染中解放出來執(zhí)行其他任務(wù)。

與過去針對cpu單核設(shè)計的opengl相比，vulkan原生支持多線程和并發(fā)處理，可以更好地與采用多核策略的cpu配合工作。directx 12、metal等廠商專有的新一代圖形應(yīng)用程序接口也提供多線程并發(fā)支持，可見這是行業(yè)內(nèi)的一大趨勢。

在著色器方面，vulkan不再指定類似opengl的著色器編程語言(opengl指定glsl著色器編程語言)，而是采用一種稱為spir-v(標(biāo)準(zhǔn)可移植中間表示)的二進(jìn)制中間層格式。這樣，開發(fā)vulkan著色器時，開發(fā)者可以選擇自己喜歡的著色器編程語言，比如glsl、hlsl等。然后使用著色器專用編譯器將著色器源代碼編譯成spir-v格式，可以在vulkan中使用，大大提高了靈活性。

vulkan以統(tǒng)一的方式管理計算任務(wù)和圖形渲染任務(wù)，而不使用單獨(dú)的計算和圖形應(yīng)用程序接口來連接。

與opengl的狀態(tài)機(jī)不同，它會在運(yùn)行任務(wù)時自動檢查各種錯誤(無法關(guān)閉)。為了追求更高的執(zhí)行效率，vulkan將各種錯誤檢查設(shè)計為可插拔模式。開發(fā)人員可以在開發(fā)調(diào)試時打開所需的錯誤檢查項(xiàng)，發(fā)布時關(guān)閉錯誤檢查項(xiàng)，以達(dá)到更好的性能。

vulkan在架構(gòu)層面提供了多輪渲染的支持，使得更高效地實(shí)現(xiàn)延遲渲染成為可能，極大地提高了特定場景下的渲染效率。

vulkan本身就深刻深刻，其革命性的設(shè)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。讀者可以在這本書的腳步中逐漸深入地了解vulkan的方方面面。

1.1.2支持vulkan的游戲概述

通過簡要介紹，讀者已經(jīng)基本了解了vulkan相對于傳統(tǒng)圖形應(yīng)用程序界面的諸多優(yōu)勢。由于vulkan的這些突出特點(diǎn)，市面上的幾款知名游戲都開始使用vulkan。但是由于vulkan誕生不久，使用vulkan的游戲數(shù)量并不是很大。接下來我們簡單介紹幾款使用vulkan的游戲。

刀塔

作為一部深受玩家歡迎的大作，dota 2早在2016年就發(fā)布了補(bǔ)丁支持vulkan。圖1-1是原dota 2的游戲場景，圖1-2是在vulkan支持下運(yùn)行的dota 2的游戲場景。

圖1-1原版dota 2游戲場景

圖1-2 vulkan支持的dota 2游戲場景

解釋

對比圖1-1和圖1-2可以看出，vulkan支持的dota 2比原來的dota 2場景更加生動細(xì)膩。在游戲的實(shí)際對比測試中，可以感覺到vulkan支持的dota 2運(yùn)行更流暢，可以觀察到cpu利用率更低，體現(xiàn)了vulkan降低cpu開銷的特點(diǎn)。

飛車

通過對比dota 2使用vulkan前后的場景，觀察了vulkan在三維圖形處理方面的進(jìn)展。接下來我們將展示電子藝界開發(fā)的賽車比賽游戲速度需求：無限，進(jìn)一步體驗(yàn)vulkan的3d圖形處理能力，如圖1-3和圖1-4所示。

圖1-3速度需求：無限場景1

圖1-4速度需求：無限場景2

解釋

可以看出，vulkan api渲染的以上兩個速度需求：無限游戲場景的光影效果極其逼真，煙霧和運(yùn)動模糊效果非常真實(shí)。

夢想聯(lián)盟足球

在介紹完以上兩個游戲dota 2和需要速度之后，我還要介紹一下first touch開發(fā)的運(yùn)動游戲——夢幻聯(lián)盟足球。游戲自發(fā)布以來，受到玩家的好評，現(xiàn)在vulkan版本已經(jīng)發(fā)布，效果分別如圖1-5和1-6所示。

圖1-5夢幻聯(lián)賽足球場景1

圖1-6夢幻聯(lián)賽足球場景2

通過觀察上述游戲屏幕，我們可以欣賞到vulkan在三維圖形處理能力上的提升。在前面的內(nèi)容中，已經(jīng)多次提到vulkan的一個優(yōu)點(diǎn)是可以大大降低渲染時的cpu開銷，這將直接影響游戲運(yùn)行和畫面的流暢度。相關(guān)機(jī)構(gòu)都站在vulkan這邊。

表面上有很多測試。

比如貝塞斯達(dá)和英偉達(dá)早在2016年就進(jìn)行了相關(guān)測試，測試結(jié)果顯示使用directx 11以1080p分辨率運(yùn)行毀滅戰(zhàn)士4，平均幀率在55-60之間。之后用vulkan做同樣的渲染工作，整個游戲幀率提升到120以上?？梢妚ulkan在降低cpu開銷和渲染圖形方面是有效的。

本書系統(tǒng)介紹了下一代opengl規(guī)范vulkan，揭示了vulkan的獨(dú)特性。這本書的主要內(nèi)容包括：內(nèi)存和資源、隊(duì)列和命令、數(shù)據(jù)移動、圖像顯示、著色器和管道、圖形管道對象、繪制命令、幾何處理、片段處理、同步、數(shù)據(jù)回讀和多渲染通道。