VulkanTutorial教程：Vulkan着色器模块基础与实战

孙纯茉Norma

于 2025-06-11 09:14:59 发布

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VulkanTutorial教程：Vulkan着色器模块基础与实战

VulkanTutorial Tutorial for the Vulkan graphics and compute API 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/vu/VulkanTutorial

引言：Vulkan着色器的独特之处

在Vulkan图形编程中，着色器（Shader）的处理方式与传统图形API（如OpenGL）有着显著差异。Vulkan要求着色器代码必须使用SPIR-V字节码格式，而不是直接使用人类可读的GLSL或HLSL语法。这种设计选择带来了性能优化和跨平台一致性的优势，同时也引入了一些新的概念和工作流程。

SPIR-V字节码解析

为什么选择字节码格式？

SPIR-V（Standard Portable Intermediate Representation）是Khronos集团为Vulkan和OpenCL设计的中间表示格式。与传统的文本着色语言相比，SPIR-V具有以下优势：

驱动实现简化：GPU厂商只需编写将SPIR-V转换为本地机器码的编译器，复杂度大幅降低
跨平台一致性：避免了不同厂商对GLSL标准的解释差异问题
预编译优化：着色器可以在应用构建时而非运行时进行编译和优化

从GLSL到SPIR-V的转换

虽然Vulkan直接使用SPIR-V字节码，但我们通常仍使用GLSL编写着色器，然后通过编译器转换为SPIR-V。Khronos提供了官方的glslangValidator编译器，而Google的glslc编译器因其熟悉的命令行接口（类似GCC/Clang）和额外功能（如头文件包含）更受开发者欢迎。

GLSL着色语言精要

GLSL（OpenGL Shading Language）是一种C风格语法的着色语言，专为图形编程设计，具有以下特点：

程序入口为main函数
使用全局变量而非函数参数进行输入输出
内置向量和矩阵类型（如vec3, mat4）
丰富的图形运算函数（叉积、矩阵-向量乘法等）

向量构造灵活，支持多种组合方式：

vec3(1.0, 2.0, 3.0)        // 直接构造
vec3(vec2(1.0, 2.0), 3.0)  // 混合构造
vec3(1.0).xy               // 分量选择

三角形绘制实战：着色器实现

顶点着色器设计

顶点着色器负责处理每个顶点的变换和属性传递。在我们的三角形示例中：

#version 450

layout(location = 0) out vec3 fragColor;

vec2 positions[3] = vec2[](
    vec2(0.0, -0.5),  // 顶点1
    vec2(0.5, 0.5),   // 顶点2
    vec2(-0.5, 0.5)   // 顶点3
);

vec3 colors[3] = vec3[](
    vec3(1.0, 0.0, 0.0),  // 红色
    vec3(0.0, 1.0, 0.0),  // 绿色
    vec3(0.0, 0.0, 1.0)   // 蓝色
);

void main() {
    gl_Position = vec4(positions[gl_VertexIndex], 0.0, 1.0);
    fragColor = colors[gl_VertexIndex];
}

关键点解析：

gl_VertexIndex：当前顶点索引
gl_Position：输出裁剪空间坐标（最终位置）
fragColor：传递给片段着色器的颜色属性

片段着色器设计

片段着色器决定每个像素的最终颜色：

#version 450

layout(location = 0) in vec3 fragColor;
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(fragColor, 1.0);  // 使用插值后的颜色
}

注意：

输入变量fragColor会自动在三角形内插值
location修饰符确保顶点和片段着色器间的变量正确匹配

着色器编译与加载流程

编译为SPIR-V

创建shaders目录存放.vert和.frag文件

使用glslc编译器生成SPIR-V字节码：

glslc shader.vert -o vert.spv
glslc shader.frag -o frag.spv

程序中的着色器加载

实现文件读取辅助函数：

std::vector<char> readFile(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename, std::ios::ate | std::ios::binary);
    // 错误检查...
    size_t fileSize = (size_t)file.tellg();
    std::vector<char> buffer(fileSize);
    file.seekg(0);
    file.read(buffer.data(), fileSize);
    file.close();
    return buffer;
}

创建着色器模块

将SPIR-V字节码包装为Vulkan对象：

VkShaderModule createShaderModule(const std::vector<char>& code) {
    VkShaderModuleCreateInfo createInfo{};
    createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SHADER_MODULE_CREATE_INFO;
    createInfo.codeSize = code.size();
    createInfo.pCode = reinterpret_cast<const uint32_t*>(code.data());
    
    VkShaderModule shaderModule;
    vkCreateShaderModule(device, &createInfo, nullptr, &shaderModule);
    return shaderModule;
}

注意字节对齐问题：std::vector默认分配的内存已满足uint32_t对齐要求。

着色器阶段配置

将着色器模块分配到图形管线的特定阶段：

// 顶点着色器阶段
VkPipelineShaderStageCreateInfo vertShaderStageInfo{};
vertShaderStageInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_SHADER_STAGE_CREATE_INFO;
vertShaderStageInfo.stage = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;
vertShaderStageInfo.module = vertShaderModule;
vertShaderStageInfo.pName = "main";

// 片段着色器阶段（类似配置）

关键参数：