深入探讨Vulkan渲染通道的架构与应用实例-梦之都

什么是渲染通道

Vulkan 渲染通道（RenderPass）定义了整个渲染管线的一次执行过程，包括了渲染过程中使用的所有资源和操作的描述（比如指定渲染管线的渲染目标，告诉管线要渲染到哪里）。

RenderPass 本质上是一个渲染流程的完整描述（管理渲染流程），包含了如何渲染这些数据的元数据和指令，但不包含实际的数据（图像），通过与 Framebuffer 结合来获取实际的图像数据。

在 Vulkan 编程中，RenderPass 是必不可少的，它必须包含一个或多个子通道（SubPass）。

每个子通道表示一个渲染阶段，且都是使用 RenderPass 中定义的资源描述这个阶段渲染的步骤。

RenderPass 是通过附件（Attachment）的形式描述图像资源，包括颜色附件（Color Attachment）、深度/模板附件（Depth/Stencil Attachment）、用于多重采样的解析附件（Resolve Attachment）和输入附件（Input Attachment）等。这些附件我们后续都会一一展开讲述。

RenderPass 与 Framebuffer 的关系密切，Framebuffer 代表了 RenderPass 使用的具体内存集合，定义了 RenderPass 中的每个 ImageView 与附件的对应关系。关于 Framebuffer 我们下一节会具体展开。

RenderPass 使得开发者能够更精细地控制渲染过程，优化性能，同时适应现代GPU架构的特点。

RenderPass 创建

1. 定义附件描述

附件描述定义了在渲染过程中使用的图像资源，包括它们的格式、样本数、加载和存储操作等。

我们定义一个深度附件和一个模板附件：

1 // 定义颜色附件描述 2 VkAttachmentDescription colorAttachment = {}; 3 colorAttachment.format = swapChainImageFormat; // 交换链图像格式 4 colorAttachment.samples = VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT; // 采样数 5 colorAttachment.loadOp = VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_CLEAR; // 在渲染前清除附件 6 colorAttachment.storeOp = VK_ATTACHMENT_STORE_OP_STORE; // 在渲染后存储附件内容 7 colorAttachment.stencilLoadOp = VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_DONT_CARE; // 不关心模板加载操作 8 colorAttachment.stencilStoreOp = VK_ATTACHMENT_STORE_OP_DONT_CARE; // 不关心模板存储操作 9 colorAttachment.initialLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED; // 初始布局10 colorAttachment.finalLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_PRESENT_SRC_KHR; // 最终布局1112 // 定义深度模板附件描述13 VkAttachmentDescription depthAttachment = {};14 depthAttachment.format = findDepthFormat(physicalDevice); // 深度模板格式15 depthAttachment.samples = VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT; // 采样数16 depthAttachment.loadOp = VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_CLEAR; // 在渲染前清除附件17 depthAttachment.storeOp = VK_ATTACHMENT_STORE_OP_DONT_CARE; // 渲染后不需要存储附件内容18 depthAttachment.stencilLoadOp = VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_DONT_CARE; // 不关心模板加载操作19 depthAttachment.stencilStoreOp = VK_ATTACHMENT_STORE_OP_DONT_CARE; // 不关心模板存储操作20 depthAttachment.initialLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED; // 初始布局21 depthAttachment.finalLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_OPTIMAL; // 最终布局

2. 定义子通道

Vulkan 用于定义子通道的结构体 VkSubpassDescription 需要重点关注下：

1 typedef struct VkSubpassDescription { 2 VkSubpassDescriptionFlags flags; // 子通道描述的附加标志，目前必须为0 3 VkPipelineBindPoint pipelineBindPoint; // 管线绑定点，必须是 VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS 4 uint32_t inputAttachmentCount; // 输入附件的数量 5 const VkAttachmentReference* pInputAttachments; // 输入附件的数组 6 uint32_t colorAttachmentCount; // 颜色附件的数量 7 const VkAttachmentReference* pColorAttachments; // 颜色附件的数组 8 const VkAttachmentReference* pResolveAttachments; // 解析附件的数组（可选） 9 const VkAttachmentReference* pDepthStencilAttachment; // 深度模板附件（可选）10 uint32_t preserveAttachmentCount; // 保留附件的数量11 const uint32_t* pPreserveAttachments; // 保留附件的数组12 } VkSubpassDescription;

子通道描述了渲染管道的一个阶段及其输入和输出附件。

1 // 定义颜色附件引用 2 VkAttachmentReference colorAttachmentRef = {}; 3 colorAttachmentRef.attachment = 0; // 绑定到第一个附件描述 4 colorAttachmentRef.layout = VK_IMAGE_LAYOUT_COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL; // 最佳颜色附件布局 5 6 // 定义深度模板附件引用 7 VkAttachmentReference depthAttachmentRef = {}; 8 depthAttachmentRef.attachment = 1; // 绑定到第二个附件描述 9 depthAttachmentRef.layout = VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_OPTIMAL; // 最佳深度模板附件布局1011 // 定义子通道描述12 VkSubpassDescription subpass = {};13 subpass.pipelineBindPoint = VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS; // 图形管线绑定点14 subpass.colorAttachmentCount = 1; // 颜色附件数量15 subpass.pColorAttachments = &colorAttachmentRef; // 颜色附件引用16 subpass.pDepthStencilAttachment = &depthAttachmentRef; // 深度模板附件引用

3. 定义子通道依赖

子通道依赖 VkSubpassDependency 在多通道渲染时比较重要（现在大致了解下，后面还会讲到），它的作用是管理不同子通道之间的依赖关系，确保数据在管道阶段之间的正确同步。

VkSubpassDependency 结构体：

1 typedef struct VkSubpassDependency { 2 uint32_t originalSubpass; // 源子通道索引或VK_SUBPASS_EXTERNAL。 3 // 如果设置为VK_SUBPASS_EXTERNAL，表示依赖于渲染通道外部的操作， 4 // 比如在渲染通道开始前或结束后的操作。 5 6 uint32_t dstSubpass; // 目标子通道索引或VK_SUBPASS_EXTERNAL。 7 // 如果设置为VK_SUBPASS_EXTERNAL，表示依赖于渲染通道外部的操作。 8 9 VkPipelineStageFlags originalStageMask; // 源阶段掩码。10 // 指定在这些阶段结束时，依赖将生效。11 // 常见阶段包括：12 // VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT - 颜色附件输出阶段13 // VK_PIPELINE_STAGE_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT - 早期片段测试阶段14 // VK_PIPELINE_STAGE_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT - 晚期片段测试阶段等。1516 VkPipelineStageFlags dstStageMask; // 目标阶段掩码。17 // 指定在这些阶段开始前，依赖将生效。18 // 常见阶段包括：19 // VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT - 颜色附件输出阶段20 // VK_PIPELINE_STAGE_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT - 早期片段测试阶段21 // VK_PIPELINE_STAGE_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT - 晚期片段测试阶段等。2223 VkAccessFlags originalAccessMask; // 源访问掩码。24 // 指定在这些访问类型完成后，依赖将生效。25 // 常见访问类型包括：26 // VK_ACCESS_COLOR_ATTACHMENT_WRITE_BIT - 颜色附件写入27 // VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_WRITE_BIT - 深度模板附件写入等。2829 VkAccessFlags dstAccessMask; // 目标访问掩码。30 // 指定在这些访问类型开始前，依赖将生效。31 // 常见访问类型包括：32 // VK_ACCESS_COLOR_ATTACHMENT_WRITE_BIT - 颜色附件写入33 // VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_WRITE_BIT - 深度模板附件写入34 // VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_READ_BIT - 深度模板附件读取等。3536 VkDependencyFlags dependencyFlags; // 依赖标志。37 // 可以是0或包含以下标志之一：38 // VK_DEPENDENCY_BY_REGION_BIT - 表示依赖仅在图像的同一区域内生效。39 // VK_DEPENDENCY_VIEW_LOCAL_BIT - 表示依赖在单个描述符的视图上生效。40 // VK_DEPENDENCY_DEVICE_GROUP_BIT - 表示依赖在设备组内生效。41 } VkSubpassDependency; 1 // 定义子通道依赖 2 // 子通道依赖数组，用于布局转换 3 std::array<VkSubpassDependency, 2> dependencies; 4 5 // 第一个依赖关系 6 dependencies[0].originalSubpass = VK_SUBPASS_EXTERNAL; // 外部到第一个子通道的依赖 7 dependencies[0].dstSubpass = 0; // 目标子通道索引为0，即第一个子通道 8 dependencies[0].originalStageMask = VK_PIPELINE_STAGE_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT | VK_PIPELINE_STAGE_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT; // 源阶段掩码：早期和晚期片段测试阶段 9 dependencies[0].dstStageMask = VK_PIPELINE_STAGE_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT | VK_PIPELINE_STAGE_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT; // 目标阶段掩码：早期和晚期片段测试阶段10 dependencies[0].originalAccessMask = VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_WRITE_BIT; // 源访问掩码：深度模板附件写入11 dependencies[0].dstAccessMask = VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_WRITE_BIT | VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_READ_BIT; // 目标访问掩码：深度模板附件写入和读取12 dependencies[0].dependencyFlags = 0; // 无额外依赖标志1314 // 第二个依赖关系15 dependencies[1].originalSubpass = VK_SUBPASS_EXTERNAL; // 外部到第一个子通道的依赖16 dependencies[1].dstSubpass = 0; // 目标子通道索引为0，即第一个子通道17 dependencies[1].originalStageMask = VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT; // 源阶段掩码：颜色附件输出阶段18 dependencies[1].dstStageMask = VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT; // 目标阶段掩码：颜色附件输出阶段19 dependencies[1].originalAccessMask = 0; // 源访问掩码：无特定访问类型20 dependencies[1].dstAccessMask = VK_ACCESS_COLOR_ATTACHMENT_WRITE_BIT | VK_ACCESS_COLOR_ATTACHMENT_READ_BIT; // 目标访问掩码：颜色附件写入和读取21 dependencies[1].dependencyFlags = 0; // 无额外依赖标志

4. 创建 RenderPass 对象

1 // 创建 RenderPass 2 VkAttachmentDescription attachments[] = { colorAttachment, depthAttachment }; // 定义附件数组 3 4 VkRenderPassCreateInfo renderPassInfo = {}; 5 renderPassInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_RENDER_PASS_CREATE_INFO; 6 renderPassInfo.attachmentCount = 2; // 附件数量 7 renderPassInfo.pAttachments = attachments; // 附件描述 8 renderPassInfo.subpassCount = 1; // 子通道数量 9 renderPassInfo.pSubpasses = &subpass; // 子通道描述10 renderPassInfo.dependencyCount = 2; // 子通道依赖数量11 renderPassInfo.pDependencies = &dependencies; // 子通道依赖描述1213 VkRenderPass renderPass;14 if (vkCreateRenderPass(device, &renderPassInfo, nullptr, &renderPass) != VK_SUCCESS) {15 throw std::runtime_error("failed to create render pass!");16 }

5.销毁 RenderPass 对象

vkDestroyRenderPass(device, renderPass, nullptr);

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