Python – 29. časť Vulkan prakticky

Túto časť seriálu venujeme extrémne stručnému opisu praktickej aplikácie, v rámci ktorej využijeme funkcionalitu API Vulkan na vykreslenie jednoduchej scény. Hneď v úvode zopakujeme, že jazyk Python z pohľadu výkonu v žiadnom prípade nesiaha na jednoznačného lídra, ktorým je jazyk C. Efektivitu programového kódu takisto nemožno prehnane vyzdvihnúť, pretože Vulkan si v oboch prípadoch vyžaduje oveľa náročnejšiu a hlavne rozsahovo väčšiu prípravu kódu. Čo si však môžeme z tohto článku odniesť, je poznanie, že Python je svojou flexibilitou skutočne bezhraničný a okrem ostatnej funkcionality dokáže bez problémov pracovať s modernými programovacími rozhraniami, medzi ktoré patrí aj API Vulkan.

Príprava prostredia

Na to, aby sme mohli pripraviť a spustiť priloženú vzorovú aplikáciu s názvom PyGLSL v2.0, musíme vykonať minimálne nasledujúce dva kroky:

1. V prípade OS Windows musíme nainštalovať Vulkan SDK, resp. aplikáciu by sa nám mohlo podariť spustiť aj bez inštalácie SDK, a to tak, že z balíka tzv. Runtime komponentov VulkanRT-...-Components.zip (https://vulkan.lunarg.com/sdk/home#windows) skopírujeme súbor vulkan-1.dll do hlavnej zložky aplikácie a následne v rámci prostredia PyCharm doinštalujeme balík vulkan; v prípade OS Linux stačí doinštalovať iba balík vulkan.

2. V prípade OS Windows je súčasťou inštalačného balíka Vulkan SDK aj kompilátor glslc.exe, pomocou ktorého transformujeme GLSL kód shaderov na SPIR-V bytecode; v prípade OS Linux je situácia jemne zložitejšia, pričom treba vykonať postup uvedený na stránke https://github.com/google/shaderc#downloads, resp. skrátene:

git clone https://github.com/google/shaderc shaderc

cd shaderc

./utils/git-sync-deps

mkdir shaderc-build

cd shaderc-build

cmake -GNinja -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release ../shaderc

ninja

ctest (nepovinné)

Príprava shaderov

Shadery našej vzorovej aplikácie sa nachádzajú v zložke shaders. Ako vieme, Vulkan požaduje, aby bol kód shaderov transformovaný do formátu SPIR-V. Práve preto sa v spomínanej zložke nachádza 2× kód vertex a 2× kód fragment shadera. Rozdiel medzi nimi je v tom, že kód GLSL je čitateľný a pred jeho použitím ho treba previesť na binárny kód SPIR-V pomocou príkazov:

glslc shader.vert -o vert.spv

glslc shader.frag -o frag.spv

Kód shaderov je triviálny, no čo je dôležité, na zjednodušenie prípravy vzorovej aplikácie je v ňom zahrnutá definícia vrcholov a farieb dvojice trojuholníkov, ktoré sú obsahom našej scény. Vyhneme sa tak nutnosti nadbytočnej prípravy príslušných zásobníkov v rámci zdrojového kódu aplikácie. Túto funkcionalitu si ozrejmíme v nasledujúcej časti seriálu.

 

Obr. 1 Zjednodušená schéma inicializácie a použitia API Vulkan

 

Zdrojový kód aplikácie PyGLSL v2.0

Na to, aby naša prvá aplikácia Vulkan fungovala, musíme povinne vykonať prípravu = postupnosť niekoľkých na seba nadväzujúcich krokov. Celý postup je oveľa komplikovanejší ako v prípade API OpenGL (kód aplikácie má 547 riadkov), ale z dôvodov, ktoré sme si uviedli v predošlej časti seriálu, je postup komplexnejší a omnoho viac etablovaný na moderný grafický hardvér.

Drvivú väčšinu kódu sme umiestnili do triedy VulkanApp. Na začiatku definujeme jej atribúty a hneď potom riešime nasledujúce úlohy:

 

1. Vytvorenie okna GLFW so stanovenou šírkou, výškou a textovým opisom:

glfw.create_window

in: width, height

 

2. Inicializácia API Vulkan:

2.a Vytvorenie izolovanej inštancie API Vulkan
vkCreateInstance	in: ApplicationInfo, reqExtensions, InstanceCreateInfo
2.b Vytvorenie WIN surface
glfw.create_window_surface	in: VkInstance, GLFW okno
2.c Výber fyzického zariadenia (GPU)
vkEnumeratePhysicalDevices	in: VkInstance, WIN surface
2.d Vytvorenie logického zariadenia
vkCreateDevice	in: Fyzické zariadenie, WIN surface, DeviceQueueCreateInfo, DeviceCreateInfo, PhysicalDeviceFeatures, reqExtensions
2.e Vytvorenie Swapchain a získanie nevyhnutných informácií o Swapchain
vkCreateSwapchainKHR	in: VkInstance, WIN surface, Fyzické zariadenie, Logické zariadenie, SwapchainCreateInfo
vkGetSwapchainImagesKHR	in: Logické zariadenie, Swapchain
2.f Vytvorenie zásobníkov na uloženie obrazu
vkCreateImageView	in: Logické zariadenie, Swapchain, ImageViewCreateInfo
2.g Vytvorenie RenderPass a Framebuffers
vkCreateRenderPass	in: Logické zariadenie, Swapchain, RenderPassCreateInfo
vkCreateFramebuffer	in: Logické zariadenie, Swapchain, RenderPass, FramebufferCreateInfo
2.h Vytvorenie shader modulov
vkCreateShaderModule	in: ShaderModuleCreateInfo, PipelineShaderStageCreateInfo
2.i Vytvorenie renderovacieho (Graphics) pipeline
vkCreatePipelineLayout, vkCreateGraphicsPipelines	in: Logické zariadenie, Shader moduly, PipelineVertexInputStateCreateInfo, PipelineInputAssemblyStateCreateInfo, Swapchain, PipelineViewportStateCreateInfo, PipelineRasterizationStateCreateInfo, PipelineMultisampleStateCreateInfo, PipelineColorBlendStateCreateInfo, PipelineLayoutCreateInfo, GraphicsPipelineCreateInfo, RenderPass
2.j Vytvorenie CommandPool a alokovanie CommandBuffers
vkCreateCommandPool, vkAllocateCommandBuffers	in: Logické zariadenie, VkInstance, WIN surface, CommandPoolCreateInfo, Swapchain, CommandBufferAllocateInfo, RenderPass, GraphicsPipeline
2.k Vytvorenie Semaphore
vkCreateSemaphore	in: Logické zariadenie, SemaphoreCreateInfo

 

3. Vykreslenie snímky prebieha v hlavnom programovom cykle mainLoop(), odkiaľ sa volá metóda drawFrame(), ktorá na svoju činnosť využíva logické zariadenie, Swapchain, Semaphore a CommandBuffers. Konkrétne „výkonné“ príkazy sú definované pri alokovaní CommandBuffers:

VkClearValue	Farba, ktorou sa vypĺňa snímka
vkBeginCommandBuffer	BEGIN CommandBuffer
vkCmdBeginRenderPass	BEGIN RenderPass
vkCmdBindPipeline	Pripojenie Graphics Pipeline
vkCmdDraw	Vykreslenie objektov scény
vkCmdEndRenderPass	END RenderPass
vkEndCommandBuffer	END CommandBuffer

 

4. Fáza ukončenia aplikácie je definovaná vo funkcii exit(), kde postupne dôjde k uvoľneniu všetkých alokovaných zdrojov okrem shader modulov, ktoré už boli zrušené.

 

Obr. 2 Grafický výstup aplikácie PyGLSL v2.0

 

Marek Sopko

Zobrazit Galériu