VULKAN图形编程:构建渲染引擎的技术、实现和算法优化

还在为传统图形API性能瓶颈发愁？
想在图形技术领域占据优势？
《Vulkan图形编程》专为突破这一难题而来！作者结合AMD、The Multiplayer Group一线经验，从Raptor引擎基础架构讲起，逐步深入异步计算、网格着色器、稀疏资源等核心技术，更覆盖光线追踪、时间抗锯齿等前沿内容。每章都有可落地的实战代码（GitHub可获取）。无论你是游戏开发者还是图形工程师，都能借助书中技术构建高性能渲染引擎，轻松应对多光源、体积雾等复杂场景，适配Windows/Linux双平台，助力项目高效落地。

本书深入探讨Vulkan图形编程技术，助力读者掌握构建渲染引擎的技术、实现和算法优化。本书从开发渲染框架基础入手，引导读者学习利用Vulkan高级功能编写现代渲染引擎。具体涵盖自动化资源绑定和依赖管理、运用GPU驱动渲染技术扩展场景规模、熟悉光线追踪技术、提升渲染图像视觉质量等内容。通过学习本书，读者能够全面了解现代渲染引擎内部工作原理，掌握实现先进渲染效果的图形技术，所开发的框架还可作为未来实践的起点，适合有图形编程基础且希望深入学习Vulkan的开发者阅读。

目　　录<br />译者序<br />致谢<br />前言<br />关于作者<br />关于审校者<br />第一部分　现代渲染引擎的基础知识<br />第1章　Raptor引擎和Hydra工程<br />概述　2<br />1.1　技术要求　2<br />1.1.1　Windows　3<br />1.1.2　Linux　3<br />1.1.3　macOS　4<br />1.2　如何阅读本书　5<br />1.3　理解代码结构　5<br />1.4　理解glTF场景格式　12<br />1.5　PBR技术简介　18<br />1.6　关于GPU调试的说明　20<br />1.7　总结　22<br />1.8　扩展阅读　23<br />第2章　优化资源管理　24<br />2.1　技术要求　24<br />2.2　解锁和实现无绑定渲染　24<br />2.2.1　检查支持情况　25<br />2.2.2　创建描述符池　26<br />2.2.3　更新描述符集　28<br />2.2.4　更新着色器代码　30<br />2.3　自动化流水线布局生成　31<br />2.3.1　将GLSL编译为SPIR-V　31<br />2.3.2　理解SPIR-V的输出内容　33<br />2.3.3　从SPIR-V到流水线布局　35<br />2.4　通过流水线缓冲区减少加载时间　39<br />2.5　总结　42<br />2.6　扩展阅读　42<br />第3章　解锁多线程技术　43<br />3.1　技术要求　44<br />3.2　使用enkiTS实现基于任务的<br />多线程　44<br />3.2.1　为什么使用基于任务的<br />并行机制　44<br />3.2.2　使用enkiTS<br />（任务调度器）库　45<br />3.3　异步加载　46<br />3.3.1　创建I/O线程和任务　47<br />3.3.2　Vulkan队列及第一条并行<br />指令生成　49<br />3.3.3　AsynchronousLoader<br />类　52<br />3.4　在多个线程上记录命令　57<br />3.4.1　分配策略　58<br />3.4.2　命令缓冲区回收　58<br />3.4.3　主命令缓冲区与次命令<br />缓冲区　59<br />3.4.4　使用主命令缓冲区进行<br />绘制　59<br />3.4.5　使用次命令缓冲区进行<br />绘制　60<br />3.4.6　生成多个任务以记录命令<br />缓冲区　61<br />3.5　总结　62<br />3.6　扩展阅读　63<br />第4章　实现帧图　64<br />4.1　技术要求　64<br />4.2　理解帧图　64<br />4.2.1　构建图　65<br />4.2.2　数据驱动的方法　66<br />4.2.3　实现帧图　68<br />4.2.4　实现拓扑排序　70<br />4.2.5　通过帧图驱动渲染　77<br />4.3　总结　79<br />4.4　扩展阅读　80<br />第5章　解锁异步计算技术　81<br />5.1　技术要求　81<br />5.2　用单一时间线信号量替换多栅栏　81<br />5.2.1　启用时间线信号量扩展　82<br />5.2.2　创建时间线信号量　84<br />5.2.3　在CPU上等待时间线<br />信号量　84<br />5.2.4　在GPU上使用时间线<br />信号量　85<br />5.3　添加一个用于异步计算的单独<br />队列　86<br />5.4　通过异步计算实现布料模拟　89<br />5.4.1　使用计算着色器的好处　89<br />5.4.2　计算着色器概述　89<br />5.4.3　编写计算着色器　90<br />5.5　总结　95<br />5.6　扩展阅读　95<br />第二部分　GPU驱动的渲染<br />第6章　GPU驱动的渲染　98<br />6.1　技术要求　99<br />6.2　将大型几何体网格分解成网格<br />单元　99<br />6.3　了解任务着色器和网格着色器　103<br />6.3.1　实现任务着色器　104<br />6.3.2　实现网格着色器　107<br />6.4　使用计算着色器进行GPU端的<br />剔除　109<br />6.4.1　深度金字塔生成　110<br />6.4.2　遮挡剔除　111<br />6.5　总结　114<br />6.6　扩展阅读　114<br />第7章　使用集群延迟渲染技术处理<br />多光源　116<br />7.1　技术要求　116<br />7.2　集群照明方案的简要历史　116<br />7.3　实现一个G-Buffer缓冲区　120<br />7.4　实现光照集群　125<br />7.4.1　CPU端的光源分配　125<br />7.4.2　GPU端的光源处理　130<br />7.5　总结　131<br />7.6　扩展阅读　132<br />第8章　使用网格着色器添加阴影　133<br />8.1　技术要求　133<br />8.2　阴影技术的简要历史　133<br />8.2.1　阴影体积法　134<br />8.2.2　阴影映射法　134<br />8.2.3　光线追踪阴影　134<br />8.3　使用网格着色器实现阴影映射　135<br />8.3.1　概述　135<br />8.3.2　立方体贴图阴影　136<br />8.3.3　关于多视图渲染的说明　137<br />8.3.4　逐光源进行网格实例剔除　137<br />8.3.5　间接绘制命令的生成　139<br />8.3.6　阴影立方体贴图面的剔除　140<br />8.3.7　网格单元阴影渲染：任务<br />着色器　141<br />8.3.8　网格单元阴影渲染：网格<br />着色器　144<br />8.3.9　阴影图采样　145<br />8.4　利用Vulkan的稀疏资源机制优化<br />阴影内存　146<br />8.4.1　创建和分配稀疏纹理　147<br />8.4.2　选择每个光源的阴影内存<br />使用方案　149<br />8.4.3　渲染到稀疏阴影图　152<br />8.5　总结　154<br />8.6　扩展阅读　154<br />第9章　实现可变速率着色　156<br />9.1　技术要求　156<br />9.2　介绍可变速率着色技术　156<br />9.3　使用Vulkan API集成可变速率<br />着色　158<br />9.4　利用特化常量　161<br />9.5　总结　164<br />9.6　扩展阅读　164<br />第10章　添加体积雾效果　165<br />10.1　技术要求　166<br />10.2　介绍体积雾渲染　166<br />10.2.1　体积渲染　166<br />10.2.2　体积雾　167<br />10.3　实现体积雾渲染　170<br />10.3.1　数据注入　170<br />10.3.2　计算光照贡献　171<br />10.3.3　集成散射和消光效果　173<br />10.3.4　将体积雾应用到场景　174<br />10.3.5　添加滤波器　175<br />10.3.6　体积噪声生成　178<br />10.3.7　蓝噪声　178<br />10.4　总结　179<br />10.5　扩展阅读　180<br />第三部分　高级渲染技术<br />第11章　时间抗锯齿技术　182<br />11.1　技术要求　183<br />11.2　概述　183<br />11.3　最简单的时间抗锯齿实现　185<br />11.3.1　相机抖动　185<br />11.3.2　选择抖动序列　186<br />11.3.3　添加运动向量　187<br />11.3.4　初步的实现代码　188<br />11.4　改进时间抗锯齿技术　189<br />11.4.1　重投影　189<br />11.4.2　历史采样　190<br />11.4.3　场景采样　191<br />11.4.4　历史约束　192<br />11.4.5　解析　193<br />11.5　锐化图像　195<br />11.5.1　后处理的图像锐化　195<br />11.5.2　负MIP偏差　196<br />11.5.3　消除纹理UV的抖动　196<br />11.6　改善条带效应　196<br />11.7　总结　197<br />11.8　扩展阅读　198<br />第12章　开始使用光线追踪　199<br />12.1　技术要求　199<br />12.2　Vulkan中光线追踪技术的简介　199<br />12.3　构建BLAS和TLAS　201<br />12.4　定义并创建光线追踪流水线　206<br />12.5　总结　212<br />12.6　扩展阅读　212<br />第13章　基于光线追踪重新审视<br />阴影　214<br />13.1　技术要求　214<br />13.2　实现简单的光线追踪阴影　214<br />13.3　改进光线追踪阴影　216<br />13.3.1　运动向量　216<br />13.3.2　计算可见性方差　217<br />13.3.3　计算可见性　218<br />13.3.4　计算滤波后的可见性　223<br />13.3.5　使用滤波后的可见性　224<br />13.4　总结　225<br />13.5　扩展阅读　225<br />第14章　基于光线追踪增加动态<br />漫反射全局照明　226<br />14.1　技术要求　227<br />14.2　间接照明简介　227<br />14.3　动态漫反射全局照明简介　228<br />14.3.1　对每个探针执行光线<br />追踪　229<br />14.3.2　探针偏移　230<br />14.3.3　探针辐照度和可见性<br />更新　230<br />14.3.4　探针采样　232<br />14.4　实现动态漫反射全局照明　232<br />14.4.1　光线生成着色器　232<br />14.4.2　光线命中着色器　233<br />14.4.3　光线未命中着色器　235<br />14.4.4　探针辐照度和可见性<br />更新着色器　235<br />14.4.5　间接照明采样　239<br />14.4.6　对calculate_lighting方法的修改　243<br />14.4.7　探针偏移着色器　243<br />14.5　总结　247<br />14.6　扩展阅读　247<br />第15章　基于光线追踪增加反射<br />效果　249<br />15.1　技术要求　249<br />15.2　屏幕空间反射的工作原理　250<br />15.3　实现基于光线追踪的反射　251<br />15.4　实现去噪器　255<br />15.5　总结　260<br />15.6　扩展阅读　260