Vulkan実践入門　グラフィックスの基礎からレイトレーシング、メッシュシェーダーまで

はじめに

第1章　Vulkan概要
Vulkanとは
低レイヤーに位置付くGPU操作のAPIセット
マルチプラットフォーム対応
マルチコア時代を活かしたマルチスレッド対応
SPIR-Vを用いたシェーディングの中間言語の採用
バージョン更新が続くAPIセット
GPUのアーキテクチャの歴史
ハードウェアによるジオメトリエンジン搭載
プログラマブルシェーダーの登場
ユニファイドシェーダーの時代
グラフィックスAPIの歴史
固定機能による描画世代
OpenGL1.5/2.x（プログラマブルシェーダー世代）
OpenGL3.x世代
OpenGL4.x世代
Vulkan 1.0
Vulkan 1.1
Vulkan 1.2
Vulkan 1.3
Vulkan 1.4
画面に3Dグラフィックスが描画されるまで
CPUからGPUへコマンドを発行
GPUでグラフィックスパイプラインを実行
［コラム］DirectXにおけるテッセレーション用シェーダー
OpenGLからVulkanへの変化
ドライバの機能がスリム化
シェーダーコンパイラが分離
［コラム］シェーダーの中間表現
マルチスレッドへの対応
レイヤーと拡張機能
レイヤー
拡張機能

第2章　ウィンドウの表示
アプリケーションクラスの準備
Vulkanコンテキストクラスの準備
メインループの作成
Vulkanの初期化処理
Vulkanインスタンスの作成
物理デバイスの選択
Vulkan論理デバイスの作成
コマンドプールの作成
デバッグ機能を有効化
Validation Layer
VK_EXT_debug_utils拡張機能
検証レイヤー有効化によるデバッグ支援
Vulkanの同期オブジェクト
フェンスの作成・破棄
セマフォの作成・破棄
プレゼンテーション関係の初期化処理
サーフェスとは
サーフェスの作成
スワップチェイン
スワップチェインの生成
スワップチェインが保持するイメージへのビューを生成
スワップチェインのフレームコンテキスト
スワップチェイン初期化を繋ぐ
［コラム］スワップチェイン作成関数の補足
Vulkanによる描画処理
コマンドバッファクラスの実装
フレームコンテキストの作成
スワップチェインから描画先を取得
［コラム］スワップチェインから得られるイメージのインデックスに注意
描画ループを作る
フレームコンテキストの同期処理
［コラム］プレゼンテーション完了待ちセマフォのトリック
画面のクリア処理
［コラム］セマフォについて
Vulkanの終了処理

第3章　ポリゴンの表示
Vulkanによるポリゴン描画までの流れ
アプリケーションクラスを修正
OnInitializeの実装
OnCleanupの実装
頂点バッファの作成
［コラム］情報
VkBufferの生成
メモリの確保と割り当て
VertexBufferクラスの作成
InitializeTriangleVertexBufferの実装
アセットパスを取り扱う仕組みの準備
シェーダーの準備
頂点シェーダーの記述
フラグメントシェーダーの記述
シェーダーのコンパイル
パイプラインレイアウトの作成
パイプラインの作成
グラフィックスシェーダーステージ
頂点入力ステート
入力アセンブリ情報
テッセレーション情報
ビューポート情報
ラスタライザー設定
マルチサンプル情報
デプスステンシル情報
カラーブレンド情報
動的ステート情報
動的レンダリング情報
［コラム］動的レンダリングにより実装がしやすくなった
その他
パイプラインビルダーの作成
描画コマンドの作成
パイプラインのバインド
頂点バッファのバインド
ポリゴンの描画コマンド
後始末

第4章　3Dポリゴンの表示
3Dオブジェクト描画までの流れ
サンプルプログラムの初期化コード
デプスバッファの作成
VkImageの作成
メモリの確保と割り当て
VkImageViewの作成
DepthBufferクラスの作成
ステージングバッファクラスの作成
リソースアップローダーの作成
3D立方体データの作成
インデックスバッファクラスの作成
立方体のジオメトリデータ
各バッファの作成
3D処理のための行列計算
行列の準備
［コラム］GLMの設定に注意
頂点シェーダーの実装
ライティング処理
拡散反射光: Lambert拡散反射モデル
鏡面反射光: Phong鏡面反射モデル
環境光
フラグメントシェーダーの実装
ユニフォームバッファの作成
UniformBufferクラスの作成
描画で使用するユニフォームバッファの作成
［コラム］ユニフォームバッファのアクセス場所の切り替え方
ディスクリプタセットの準備
ディスクリプタプールの作成
ディスクリプタセットレイアウトの生成
ディスクリプタセットの確保
ディスクリプタへ内容を書き込む
パイプラインレイアウトの作成
パイプラインの作成
デプスステンシルステートの設定
ビューポートの上下反転設定
パイプラインの作成
描画コマンドの作成
ユニフォームバッファの更新
動的レンダリングの開始とバッファクリア
グラフィックスパイプラインに各リソースをバインドする
ポリゴンをインデックス付き描画する
後始末
ディスクリプタセット関連の後始末
SimpleCubeApp::OnCleanup()の実装

第5章　テクスチャの表示
テクスチャの概要
テクスチャの種類
テクスチャ座標系
テクスチャフィルタリングモード
ミップマップ
テクスチャアドレッシングモード
テクスチャのフォーマット
テクスチャの作成
画像ファイルの読み込み
VkImageの作成
メモリの確保と割り当て
VkImageViewの作成
テクスチャクラスの作成
テクスチャローダーの実装
画像内容の転送
［コラム］テクスチャ向けファイルフォーマットについて
パイプラインバリアとリソースバリア
パイプラインバリア
リソースバリア（リソース同期）
［コラム］最も安全なバリア
シェーダーの準備
サンプラーの作成
VkSamplerの作成
サンプラークラスの実装
サンプルプログラムでの実装
ディスクリプタセットの準備
ディスクリプタセットレイアウトの作成
ディスクリプタセットの準備
パイプラインの作成
描画コマンドの作成と実行

第6章　モデル（ポリゴンメッシュ）の表示
3Dモデルデータフォーマット
glTFフォーマットについて
［コラム］glTFの埋め込み形式について
モデルデータのロード
Open Asset Import Library（assimp）
モデルデータの構築
発展的なライティング処理の基本
法線マッピング（Normal mapping）
［コラム］もっと詳しく知りたい場合には
物理ベースレンダリング（PBR:Physically-based rendering）
レンダラーの作成
ディスクリプタセットの設計
BasicPBRRenderクラスの作成
プッシュ定数（Push Constant）の導入
モデル描画パイプラインの作成
描画用データの構築
ModelResourceクラスの作成
DrawObjectクラスの作成
ダイナミックユニフォームバッファの作成
PBRシェーダーの実装
シーン用ディスクリプタセットの準備
モデルのロードと描画インスタンスの作成
モデルの描画
モデル行列の更新
ダイナミックユニフォームバッファへの書き込み
OnDrawFrameでの描画処理
BasicPBRRender::Drawの実装
［コラム］モデルの描画方法は1つではない

第7章　テッセレーション
テッセレーションの概要
テッセレーションの処理の流れ
テッセレーションのモード
テッセレーションの分割制御モード
テッセレーション使用時の注意事項
テッセレーションを有効にしたプログラムの実装
パッチデータの準備
ディスクリプタセットレイアウトの準備
パイプラインの作成
シェーダーの実装
テッセレーション制御シェーダー（TCS）
［コラム］テッセレーション係数の設定について
テッセレーション評価シェーダー（TES）
頂点シェーダー
描画コマンドの作成

第8章　コンピュートシェーダー
コンピュートシェーダーの概要
コンピュートシェーダーの実行モデル
GPUの構造
Vulkanにおける計算タスクの構成要素
各階層構造の実行関係
計算処理結果の利用
コンピュートパイプライン
Shader Storage Buffer Object
ディスクリプタセットレイアウトの作成
ディスクリプタセットへの書き込み
シェーダーの書き方
ワークグループのサイズ設定
リソースの割り当て
計算対象の特定
コンピュートシェーダーの実行
パイプラインの生成
実行
共有メモリ
画像フィルター
初期化の流れ
ガウス関数
ストレージバッファ・イメージクラスの作成
リソースの用意
ガウスフィルターシェーダーの実装
ディスクリプタセットの準備
計算の実行とパイプラインバリア
共有メモリを使用する
［コラム］どのくらい速くなるか
合計値を求める
アトミック操作
リダクション操作と共有メモリを使用した実装
［コラム］コンピュートシェーダーの実装は奥が深い
［コラム］アトミック加算が出来ない環境の場合
32bit整数型以外のアトミック操作について

第9章　メタローダーを使う
ローダーとは
メタローダーの使用
volkを組み込む

第10章　レイトレーシング
レイトレーシング基本アルゴリズム
古典的レイトレーシング
パストレーシング
Vulkanレイトレーシング
Vulkanレイトレーシングの概要
Acceleration Structure
レイトレーシングパイプライン
［コラム］レイの再帰処理も可能
レイクエリー（Ray Query）
レイトレーシングの実装・共通
レイトレーシング機能を有効化
BLASの構築
TLASの構築
TLAS/BLAS構築の便利クラスの作成
描画結果バッファの作成
描画結果をコピーするパイプラインの作成
［コラム］レイトレーシング結果の書き込みとコピーについて
レイトレーシングパイプラインで三角形を描画する
初期化の流れ
Acceleration Structureの作成
ディスクリプタセットの設計と準備
レイトレーシングのシェーダー
シェーダーのコンパイル
レイトレーシングパイプラインの作成
Shader Binding Tableの作成
ディスクリプタセットの作成
レイトレーシングの実行
レイトレーシングパイプラインで古典的レイトレーシングの実装
初期化の流れ
ディスクリプタセットの設計
ModelResource,DrawObjectクラスの実装
Acceleration Structure（BLAS）の作成
モデルデータのロードとTLASの作成
レイトレーシングのシェーダー
レイトレーシングパイプラインの作成
Shader Binding Tableの構築
レイヒット時に使用されるシェーダーレコードの関係
ディスクリプタセットの作成
レイトレーシングの実行
［コラム］バインドレス
レイクエリーでパストレーシングの実装
初期化の流れ
ディスクリプタセットの設計
BLASと対応するジオメトリ情報の構築
乱数状態バッファの準備
累積加算バッファの準備
レイクエリーを使用したシェーダーの実装
［コラム］結果取得のcommittedについて
パイプラインの作成
描画コマンドの構築と実行結果

第11章　メッシュシェーダーパイプライン
メッシュシェーダーパイプラインとは
メッシュシェーダーによる描画実装の流れ
シンプルなポリゴンの描画
メッシュシェーダーパイプラインを有効化する
ディスクリプタセットレイアウトの作成
頂点バッファやインデックスバッファの作成
ディスクリプタセットの作成
メッシュシェーダーの実装
メッシュシェーダーパイプラインの作成
描画コマンドの構築と実行結果
メッシュレットによる描画
メッシュレットとは
ディスクリプタセットレイアウトの作成
ModelResourceクラスの作成
DrawObjectクラスの作成
メッシュレットを作る
メッシュシェーダーの実装
フラグメントシェーダーの実装
メッシュシェーダーパイプラインの作成
描画コマンドの作成
メッシュシェーダーパイプライン活用のヒント
メッシュレットのカリング
メッシュレットの詳細度を変更
タスクシェーダーの利用
ワークグループサイズの選択
［コラム］共有メモリサイズに注意

第12章　RenderDocによるデバッグ
インストールとプログラムの起動
GPUキャプチャ方法
各ウィンドウの説明
Event Browser
Texture Viewer
Pipeline State
Mesh Viewer
Shader Viewer
その他ツールの紹介
GFXReconstruct
NVIDIA Nsight Graphics
Intel Graphics Performance Analyzers

付録A　タイムラインセマフォ
タイムラインセマフォ
タイムラインセマフォの生成・破棄
タイムラインセマフォの更新と待機（GPU側）
タイムラインセマフォの更新と待機（CPU側）
コマンドバッファ同期に使用したフェンスを置き換える
［コラム］タイムラインセマフォのカウンタ値に注意

付録B　レンダーパスを使う描画
レンダーパスとは
［コラム］レンダーパスを使用した描画は非推奨
レンダーパスの作成
フレームバッファの作成
描画処理
後始末

付録C　Vulkanプロファイル
プロファイル
Vulkan Profiles Libraryの利用
インスタンスの初期化
デバイスの初期化

付録D　Windows向け開発環境の設定
Vulkan SDKの入手とインストール
C++プロジェクトの作成と設定
プロジェクトの設定
プロジェクトテンプレートの利用

付録E　他のプラットフォームへ対応する
Linux向け対応
Android向け対応
Android向けサーフェスの作成
Androidのメッセージループ
プロジェクトの構成変更
実行

索引
あとがき