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Vulkan学习笔记6—渲染呈现

ops 2025/6/18 1:38:41

一、渲染循环核心

    while (!glfwWindowShouldClose(window)) {glfwPollEvents();helloTriangleApp.drawFrame(); // 绘制帧}

在 Vulkan 中渲染帧包含一组常见的步骤

等待前一帧完成（vkWaitForFences）
从交换链获取图像（vkAcquireNextImageKHR）
录制一个命令缓冲区将场景绘制到图像上（vkBeginCommandBuffer、vkEndCommandBuffer)
提交已记录的命令缓冲区（vkQueueSubmit）
呈现交换链图像（vkQueuePresentKHR）

这就是一个drawFrame函数要做的主要工作。

二、同步

GPU执行需显式同步。

例如下面这些事件：

从交换链获取图像（vkAcquireNextImageKHR）
执行在获取的图像上绘制的命令
将该图像呈现到屏幕上进行呈现，将其返回到交换链（vkQueuePresentKHR）

信号量

用于控制GPU上的同步操作。

VkCommandBuffer A, B = ... // 录制命令缓冲
VkSemaphore S = ... // 创建一个信号// 当操作 A 完成时，将发出信号量 S 的信号，而操作 B 将不会启动，直到 S 发出信号
vkQueueSubmit(work: A, signal: S, wait: None)// 在操作 B 开始执行后，信号量 S 将自动重置回未发出信号的状态，从而允许再次使用它。
vkQueueSubmit(work: B, signal: None, wait: S)

栅栏

它是用于对 CPU（也称为主机）上的执行进行排序的。如果主机需要知道 GPU 何时完成某件事，我们会使用栅栏。

例如：截屏操作

VkCommandBuffer A = ... // 记录包含传输操作的命令缓冲区
VkFence F = ... // 创建围栏对象// 将命令缓冲区A提交到队列，立即开始执行，并在完成时发出围栏F的信号
vkQueueSubmit(work: A, fence: F)vkWaitForFence(F) // 阻塞当前执行线程，直到命令缓冲区A完成执行save_screenshot_to_disk() // 必须等待传输操作完成后才能执行

三、绘制过程

创建同步对象

void HelloTriangle::createSyncObjects() {// 为每一帧预分配同步对象的存储imageAvailableSemaphores.resize(MAX_CONCURRENT_FRAMES);renderFinishedSemaphores.resize(MAX_CONCURRENT_FRAMES);inFlightFences.resize(MAX_CONCURRENT_FRAMES);// 设置信号量创建信息结构体VkSemaphoreCreateInfo semaphoreInfo{};semaphoreInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SEMAPHORE_CREATE_INFO;// 设置围栏创建信息结构体，初始化为已信号化状态VkFenceCreateInfo fenceInfo{};fenceInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_FENCE_CREATE_INFO;fenceInfo.flags = VK_FENCE_CREATE_SIGNALED_BIT;  // 初始状态设为已信号化，允许第一帧立即执行// 为每一个并发帧创建一组同步对象for (size_t i = 0; i < MAX_CONCURRENT_FRAMES; i++) {if (vkCreateSemaphore(device, &semaphoreInfo, nullptr, &imageAvailableSemaphores[i]) != VK_SUCCESS|| vkCreateSemaphore(device, &semaphoreInfo, nullptr, &renderFinishedSemaphores[i]) != VK_SUCCESS|| vkCreateFence(device, &fenceInfo, nullptr, &inFlightFences[i]) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("Failed to create synchronization objects for a frame!");}}
}

录制命令

void HelloTriangle::recordCommandBuffer(VkCommandBuffer commandBuffer, uint32_t imageIndex) {// 1. 开始记录命令缓冲区VkCommandBufferBeginInfo beginInfo{};beginInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_BUFFER_BEGIN_INFO;if (vkBeginCommandBuffer(commandBuffer, &beginInfo) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("Failed to begin recording command buffer!");}// 2. 设置渲染通道信息VkRenderPassBeginInfo renderPassInfo{};renderPassInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_RENDER_PASS_BEGIN_INFO;renderPassInfo.renderPass = renderPass;  // 指定使用的渲染通道renderPassInfo.framebuffer = swapChainFramebuffers[imageIndex];  // 指定目标帧缓冲renderPassInfo.renderArea.offset = {0, 0};  // 渲染区域起点renderPassInfo.renderArea.extent = swapChainExtent;  // 渲染区域大小// 设置清除颜色 (黑色)VkClearValue clearColor = {{{0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}}};renderPassInfo.clearValueCount = 1;renderPassInfo.pClearValues = &clearColor;// 3. 开始渲染通道，使用内联子通道内容vkCmdBeginRenderPass(commandBuffer, &renderPassInfo, VK_SUBPASS_CONTENTS_INLINE);// 4. 绑定图形管线vkCmdBindPipeline(commandBuffer, VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS, graphicsPipeline);// 5. 设置视口 (Viewport) - 定义裁剪空间坐标到帧缓冲坐标的映射VkViewport viewport{};viewport.x = 0.0f;viewport.y = 0.0f;viewport.width = static_cast<float>(swapChainExtent.width);viewport.height = static_cast<float>(swapChainExtent.height);viewport.minDepth = 0.0f;viewport.maxDepth = 1.0f;vkCmdSetViewport(commandBuffer, 0, 1, &viewport);// 6. 设置剪刀区域 (Scissor) - 定义实际渲染的区域VkRect2D scissor{};scissor.offset = {0, 0};scissor.extent = swapChainExtent;vkCmdSetScissor(commandBuffer, 0, 1, &scissor);// 7. 执行绘制命令 - 绘制3个顶点，组成一个三角形vkCmdDraw(commandBuffer, 3, 1, 0, 0);// 8. 结束渲染通道vkCmdEndRenderPass(commandBuffer);// 9. 结束命令缓冲区记录if (vkEndCommandBuffer(commandBuffer) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("Failed to record command buffer!");}
}

绘制帧

void HelloTriangle::drawFrame() {// 1. 等待当前帧的围栏被信号化，确保上一帧的渲染操作已完成vkWaitForFences(device, 1, &inFlightFences[currentFrame], VK_TRUE, UINT64_MAX);// 重置围栏状态，为下一帧做准备vkResetFences(device, 1, &inFlightFences[currentFrame]);// 2. 从交换链获取下一可用图像，使用当前帧的"图像可用"信号量uint32_t imageIndex;vkAcquireNextImageKHR(device, swapChain, UINT64_MAX, imageAvailableSemaphores[currentFrame], VK_NULL_HANDLE, &imageIndex);// 3. 重置并记录当前帧的命令缓冲区vkResetCommandBuffer(commandBuffers[currentFrame],  0);recordCommandBuffer(commandBuffers[currentFrame], imageIndex);// 4. 设置提交信息，定义命令执行的依赖关系VkSubmitInfo submitInfo{};submitInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SUBMIT_INFO;// 等待"图像可用"信号量，确保在图像可用后再开始渲染VkPipelineStageFlags waitStages[] = {VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT};submitInfo.waitSemaphoreCount = 1;submitInfo.pWaitSemaphores = &imageAvailableSemaphores[currentFrame];submitInfo.pWaitDstStageMask = waitStages;// 指定要执行的命令缓冲区submitInfo.commandBufferCount = 1;submitInfo.pCommandBuffers = &commandBuffers[currentFrame];// 当命令执行完成时，信号化"渲染完成"信号量submitInfo.signalSemaphoreCount = 1;submitInfo.pSignalSemaphores = &renderFinishedSemaphores[currentFrame];// 提交命令到图形队列，并关联围栏以跟踪完成状态if (vkQueueSubmit(graphicsQueue, 1, &submitInfo, inFlightFences[currentFrame]) != VK_SUCCESS) {throw std::runtime_error("Failed to submit draw command buffer!");}// 5. 设置呈现信息，准备将渲染结果呈现到屏幕VkPresentInfoKHR presentInfo{};presentInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PRESENT_INFO_KHR;// 等待"渲染完成"信号量，确保渲染完成后再呈现presentInfo.waitSemaphoreCount = 1;presentInfo.pWaitSemaphores = &renderFinishedSemaphores[currentFrame];// 指定要呈现的交换链和图像索引presentInfo.swapchainCount = 1;presentInfo.pSwapchains = &swapChain;presentInfo.pImageIndices = &imageIndex;// 提交呈现请求到呈现队列vkQueuePresentKHR(presentQueue, &presentInfo);// 6. 更新当前帧索引，循环使用预分配的同步对象currentFrame = (currentFrame + 1) % MAX_CONCURRENT_FRAMES;
}

完整的初始化过程关系图