Vulkan 学习(19)---- Vulkan Compute

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已于 2025-07-20 14:40:29 修改 · 1k 阅读

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#学习 #网络

于 2025-07-20 14:39:46 首次发布

Vulkan Compute 概述

与 OpenGL 等较旧的 API 不同，Vulkan 中强制要求支持计算着色器，这意味着您可以在任何可用的 Vulkan 实现上使用计算着色器，无论它是高端桌面 GPU 还是低功耗嵌入式设备
GPU 的计算功能可以用于图像处理、可见性测试、后期处理、高级照明计算、动画、物理（例如粒子系统）等等，甚至可以用于非可见性的工作比如 AI 和数字运算等

使用 GPU 进行计算的一个明显的优势是

降低 CPU 负载
避免 CPU 和 GPU 之间交换数据
所有数据都可以直接保持在 GPU 上，无需从缓慢的主存储器中获取数据

一个例子

我们将实现的一个易于理解的示例是基于 GPU 的粒子系统，这种系统在很多游戏中会与使用，通常由数千个每帧都更新的粒子组成，渲染粒子需要两个主要的过程: 使用顶点缓冲区传递顶点，粒子的计算和更新

传统的粒子系统是将粒子数据存储在主内存中，然后使用 CPU 更新，更新后，顶点需要再次传输到 GPU 的内存，以便它可以在下一帧中显示更新的粒子
最直接的方法是为每帧使用新数据重新创建顶点缓冲区。这显然非常耗费资源，当然也可以映射 GPU 的内存方便 CPU 写入，或者使用主机本地缓冲区（由于 PCI-E 带宽，这将是最慢的方法），但是无论使用那种方法，始终需要 CPU 和 GPU 之间交换数据来更新粒子

使用基于 GPU 的粒子系统，就不需要此过程，顶点上传到 GPU，并且所有更新都在 GPU 的内存中使用计算着色器完成，之所以速度更快的主要原因之一是 GPU 与直接管理的内存(Local Memory)之间更高的带宽

同时在具有专门计算队列的 GPU 上执行时，可以与图形管线并行执行来更新粒子

使用流程

前面已经了解了用于传递图元的顶点和索引的缓冲区(vertebuffer和indexbuffer)以及用于将数据传递到着色器的统一缓冲区(uniform buffer)
Vulkan Compute 引入的一个重要概念是能够任意地从缓冲区读取和写入到缓冲区, 为此，Vulkan 提供了两种专用的存储类型 SSBO(Shader Storage Buffer Object) 和 vkImage

SSBO

SSBO(Shader Storage Buffer Object) 是允许计算着色器读取和写入的缓冲区，使用它们类似于使用统一缓冲区对象
区别于之前我们使用的 VertexBuffer IndexBuffer 和 Texture Mapping Image 都是 Shader 只读类型的 Buffer

Uniform Buffer 也是 Shader 可读可写的，但是大小必须和 Graphic Shader 中定义的一致，
但是 SSBO 的特点就是大小不限定，也就是大小可以根据要处理的数据量决定，要处理数据越多，创建的 SSBO buffers size 越大

在 Vulkan 中，您可以为缓冲区和图像指定多种用途，因此粒子顶点缓冲区既可以用作顶点缓冲区（在图形通道中），又可以用作存储缓冲区（在计算通道中）

// 作为 SSBO Usage VK_BUFFER_USAGE_STORAGE_BUFFER_BIT
createBuffer(bufferSize, VK_BUFFER_USAGE_VERTEX_BUFFER_BIT | VK_BUFFER_USAGE_STORAGE_BUFFER_BIT, VK_MEMORY_PROPERTY_DEVICE_LOCAL_BIT, shaderStorageBuffers[i], shaderStorageBuffersMemory[i]);

void createBuffer(VkDeviceSize size, VkBufferUsageFlags usage, VkMemoryPropertyFlags properties, VkBuffer& buffer, VkDeviceMemory& bufferMemory) {
   
   
    VkBufferCreateInfo bufferInfo{
   
   };
    bufferInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_BUFFER_CREATE_INFO;
    bufferInfo.size = size;
    bufferInfo.usage = usage;
    bufferInfo.sharingMode = VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE;

    if (vkCreateBuffer(device, &bufferInfo, nullptr, &buffer) != VK_SUCCESS) {
   
   
        throw std::runtime_error("failed to create buffer!");
    }

    VkMemoryRequirements memRequirements