探索 Vulkan 音视频技术（1）：Vulkan 架构概述

这个系列文章我们来介绍一位海外工程师如何探索 Vulkan 音视频技术，对于想要开始学习音视频技术的朋友，这些文章是份不错的入门资料，本篇介绍 Vulkan 架构概述。

——来自公众号“关键帧Keyframe”的分享

SaschaWillems/Vulkan 仓库是一套全面的开源 C++ 示例合集，展示了 Vulkan 图形与计算 API 的功能。本架构概览将帮助你理解该框架的结构，以及其组件如何协同工作，从而创建高效、跨平台的 Vulkan 应用程序。

该框架围绕模块化设计构建，既抽象了常见的 Vulkan 操作，又保留了 Vulkan 提供的底层控制。它采用分层方法，复杂功能构建于更简单的组件之上，使其更易于理解和扩展。

该架构的设计目标是：

跨平台：支持 Windows、Linux、Android、iOS 和 macOS
教育性：每个示例都展示特定的 Vulkan 功能
模块化：核心功能被分离到可复用的组件中
可扩展：易于添加新示例和功能

1、基础框架组件

框架的核心位于 base/ 目录，其中包含处理常见 Vulkan 操作的核心类。这些组件抽象了 Vulkan 应用所需的样板代码，同时保持灵活性。

1.1、VulkanExampleBase 类

VulkanExampleBase 类是框架的基石，为 Vulkan 示例提供完整的应用生命周期。它负责初始化、渲染和清理操作，让开发者专注于示例特定的功能。

其主要职责包括：

实例与设备管理：创建并管理 Vulkan 实例和逻辑设备
窗口系统集成：处理平台特定的窗口创建和事件处理
交换链管理：创建并管理呈现交换链
命令缓冲区管理：设置用于渲染的命令池和缓冲区
同步：管理用于 GPU-CPU 同步的信号量和栅栏
渲染循环：提供基于帧的渲染循环，并带有时序和 FPS 跟踪

该类采用虚函数模式，示例通过重写 render()、buildCommandBuffers() 和 prepare() 等方法来实现特定功能。

来源：vulkanexamplebase.h#L78-L420

1.2、VulkanDevice 类

VulkanDevice 类封装了物理和逻辑 Vulkan 设备，为设备操作提供高级接口。它负责设备选择、队列族管理和内存分配。

其主要特性包括：

设备选择：评估并选择合适的物理设备
队列管理：识别并访问不同的队列族（图形、计算、传输）
内存管理：提供内存类型选择和分配工具
缓冲区创建：简化缓冲区创建并自动分配内存
扩展支持：检查并启用设备扩展

该类遵循 RAII 模式，确保 Vulkan 资源被正确清理。

来源：VulkanDevice.h#L22-L69

1.3、VulkanSwapChain 类

VulkanSwapChain 类管理呈现交换链，负责将渲染后的图像显示到屏幕。它处理交换链创建和管理的复杂平台特定方面。

其主要职责包括：

表面创建：创建窗口系统特定的呈现表面
交换链创建：以最优参数设置交换链
图像管理：管理交换链图像及其视图
呈现：处理图像获取并呈现到屏幕
平台支持：支持多个窗口系统（Win32、XCB、Wayland、Android 等）

该类抽象了平台差异，为呈现操作提供统一接口。

来源：VulkanSwapChain.h#L30-L101

1.4、资源管理类

该框架包含多个用于管理 Vulkan 资源的类：

1.4.1、VulkanBuffer

VulkanBuffer 类封装了 Vulkan 缓冲区对象，简化了缓冲区创建、内存分配和数据上传操作。

其主要特性：

缓冲区创建：用指定的使用标志创建缓冲区
内存管理：分配并绑定设备内存
数据传输：映射、更新和刷新缓冲区数据
描述符设置：准备缓冲区描述符以供着色器访问

来源：VulkanBuffer.h#L24-L45

1.4.2、VulkanTexture

VulkanTexture 类层次结构处理纹理加载和管理，支持多种纹理类型，包括 2D、2D 数组和立方体贴图。

其主要能力：

纹理加载：从文件加载纹理（KTX 格式）
图像创建：创建带有适当内存分配的 Vulkan 图像
Mipmap 生成：自动生成 mipmap
采样器创建：创建具有可配置参数的纹理采样器
多格式支持：支持各种纹理格式和布局

该类的层次结构包括针对不同纹理类型的专用类：

Texture2D：标准 2D 纹理
Texture2DArray：2D 纹理数组
TextureCubeMap：用于环境映射的立方体贴图

来源：VulkanTexture.h#L31-L97

2、应用程序架构流程

使用该框架的 Vulkan 应用程序的典型流程遵循一个定义良好的模式：

2.1、初始化阶段

在初始化期间，框架执行以下关键步骤：

平台设置：使用平台特定 API 创建原生窗口
Vulkan 实例：创建带有必要扩展的 Vulkan 实例
设备选择：评估可用的物理设备并选择最合适的一个
逻辑设备：创建具有所需功能和队列的逻辑设备
交换链创建：以最优参数设置呈现交换链
资源设置：创建必要的资源，如缓冲区、纹理和渲染通道

2.2、渲染循环

渲染循环遵循以下模式：

3、平台抽象

该框架通过条件编译和平台特定实现提供了出色的平台抽象：

3.1、支持的平台

平台	实现文件	主要特性
Windows	`vulkanexamplebase.h`（Win32 部分）	Win32 API 集成，DPI 感知
Linux	`vulkanexamplebase.h`（XCB/Wayland 部分）	X11 和 Wayland 支持
Android	`VulkanAndroid.h/cpp`	Android 原生活动集成
macOS/iOS	`apple/` 目录	用于 Metal 后端的 MoltenVK 集成

平台抽象层处理：

窗口创建：平台特定的窗口创建和管理
事件处理：输入和窗口事件处理
表面创建：平台特定的 Vulkan 表面创建
资源管理：平台特定的资源处理

4、示例组织

examples/ 目录包含 100 多个按类别组织的示例：

4.1、基础示例

三角形渲染（Vulkan 1.0 和 1.3）
管线管理
描述符集和布局
纹理映射
缓冲区管理

4.2、高级技术

多重采样
HDR 渲染
阴影映射
延迟渲染
光线追踪

4.3、特殊功能

glTF 模型加载和渲染
计算着色器
几何和细分着色器
多线程

每个示例都继承自 VulkanExampleBase，并通过重写虚方法实现特定功能。

5、着色器管理

该框架通过 shaders/ 目录支持多种着色器语言：

GLSL：主要着色器语言，直接支持 Vulkan
HLSL：高级着色语言，可交叉编译为 SPIR-V
Slang：具有高级特性的现代着色语言

着色器在构建时编译为 SPIR-V（标准可移植中间表示），允许在运行时加载而无需编译开销。

6、外部依赖

external/ 目录包含框架使用的第三方库：

ImGui：用于覆盖层和调试的即时模式 GUI
glTF：用于加载 3D 模型的 TinyGLTF 库
KTX：用于加载纹理的 Khronos 纹理格式
STB：用于加载图像的单文件公共领域库

7、结论

SaschaWillems/Vulkan 框架为学习和开发 Vulkan 应用程序提供了全面、结构良好的基础。其模块化架构、跨平台支持和广泛的示例集，使其成为初学者和经验丰富的 Vulkan 开发者的绝佳资源。

该框架的优势在于它在抽象和控制之间取得了平衡——它处理了样板代码，同时仍允许开发者在需要时访问底层 Vulkan 功能。这使其成为 Vulkan 开发的理想起点，也是理解 Vulkan 最佳实践的宝贵参考。

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