Vulkanを学んで小規模ゲームエンジンを開発

 (edw.is)
3 ポイント 投稿者 GN⁺ 2024-06-07 | 1件のコメント | WhatsAppで共有

目次

  • はじめに
  • グラフィックスプログラミングの学習
  • 些細な問題にこだわりすぎない
  • なぜ Vulkan なのか？
  • Vulkan の学習
  • エンジン概要とフレーム分析
  • 一般的なアドバイス
    • おすすめの Vulkan ライブラリ
    • GfxDevice 抽象化
    • シェーダー処理
    • プッシュ定数、ディスクリプタセット、およびバインドレスディスクリプタ
    • パイプラインパターン
    • Programmable Vertex Pulling (PVP) + Buffer Device Address (BDA) の使用
    • バインドレスディスクリプタ
    • 毎フレームアップロードが必要な動的データの処理
    • デストラクタ、削除キュー、およびクリーンアップ
    • 同期
  • さらに多くの実装ノート
    • 多数のスプライトを描画する
    • コンピュートスキニング
    • ゲーム / レンダラー分離
    • シーン読み込みとエンティティプレハブ
    • MSAA
    • UI
    • Dear ImGui と sRGB の問題
    • その他
  • Vulkan へ移行して得たもの
  • 今後の作業

はじめに

  • Vulkan を学び、小さなゲームエンジンを書いた経験を記録した内容。
  • Vulkan の事前知識なしに 3 か月間取り組んだ。
  • 小さな 3D ゲームを作り、再利用可能な部分をエンジンとして分離した。

グラフィックスプログラミングの学習

  • グラフィックスプログラミングを初めて学ぶ人は、OpenGL から始めるのがよい。
  • OpenGL を通じてテクスチャ付きモデルを画面に表示し、簡単なライティングやシャドウマッピングを学ぶのが有用。
  • OpenGL 学習のおすすめリソース:
    • learnopengl.com
    • Anton の OpenGL 4 Tutorials 書籍
    • Thorsten Thormählen の講義（最初の 6 本の動画がおすすめ）

些細な問題にこだわりすぎない

  • 些細な問題に執着しすぎないよう注意する必要がある。
  • 「本当に必要か？」「ボトルネックになるのか？」を常に自問すべき。
  • 必要でない機能は後から追加できる。
  • まずは簡単なゲームから始め、複雑なエンジンを作りすぎないように注意すべき。

なぜ Vulkan なのか？

  • Vulkan は最新の GPU 機能を使うことができ、オープンソース技術や標準を好む人に向いている。
  • OpenGL は小規模ゲームには十分だが、最新 GPU 機能を使いにくく、macOS では利用が制限される。
  • WebGPU は Vulkan より学びやすく、ブラウザでゲームを実行できる。

Vulkan の学習

  • Vulkan の学習は当初は難しく見えたが、Khronos が複雑な部分を簡素化し、有用なライブラリを提供しているため学びやすくなっている。
  • おすすめの Vulkan 学習リソース:
    • vkguide
    • TU Wien の Vulkan 講義シリーズ
    • 3D Graphics Rendering Cookbook 書籍
    • Mastering Graphics Programming with Vulkan 書籍

エンジン概要とフレーム分析

  • エンジン名は EDBR (Elias Daler’s Bikeshed Engine) で、Vulkan 学習プロジェクトとして始まった。
  • エンジンは主に小規模なレベルベースのゲームに適している。
  • フレームレンダリングの流れ:
    • スキニング: コンピュートシェーダーを使ってモデルのスキニングを処理
    • シャドウマッピング: 4096x4096 の深度テクスチャを使用
    • ジオメトリとシェーディング: PBR モデルを使用
    • 深度解決: フラグメントシェーダーで手動処理
    • ポストプロセス効果: 深度フォグ、トーンマッピング、ブルームを適用
    • UI: 1 回のドローコールで UI を描画

一般的なアドバイス

おすすめの Vulkan ライブラリ

  • vk-bootstrap: Vulkan 初期化コードを簡素化
  • Vulkan Memory Allocator (VMA): メモリ割り当て管理
  • volk: 拡張関数のロードを簡素化

GfxDevice 抽象化

  • GfxDevice クラスは Vulkan 機能をカプセル化し、Vulkan コンテキスト初期化、スワップチェーンの生成と管理などを処理する。

シェーダー処理

  • GLSL を使ってシェーダーを記述。
  • ビルド段階でシェーダーを事前コンパイルし、ランタイム依存性を減らす。

プッシュ定数、ディスクリプタセット、およびバインドレスディスクリプタ

  • Vulkan ではディスクリプタセットを使ってシェーダーにデータを渡す。
  • バインドレスディスクリプタと Buffer Device Address を使って、ディスクリプタセットの使用を最小化する。

パイプラインパターン

  • パイプラインクラスを使って描画段階を分離する。
  • init、cleanup、draw メソッドでパイプラインの初期化、クリーンアップ、描画を処理する。

Programmable Vertex Pulling (PVP) + Buffer Device Address (BDA) の使用

  • 頂点タイプを 1 つに統一し、シェーダーで頂点へ直接アクセスする。
  • プッシュ定数を使ってバッファアドレスを渡す。

バインドレスディスクリプタ

  • テクスチャをバインドレス方式で管理し、シェーダーから直接アクセスできるようにする。
  • テクスチャ ID をプッシュ定数で渡してサンプリングする。

GN⁺ の意見

  • Vulkan は高い性能と最新 GPU 機能を提供するが、初期の学習曲線は急である。
  • まず OpenGL を学んでから Vulkan に移行するのがよい。
  • Vulkan 学習にはさまざまなリソースがあり、それらを活用すれば学びやすくなる。
  • Vulkan を使って小規模なゲームエンジンを書くことは、グラフィックスプログラミングを深く理解する助けになる。
  • Vulkan の複雑さを減らすために有用なライブラリを使うのがよい。

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1件のコメント

 
GN⁺ 2024-06-07
Hacker Newsの意見

Hacker Newsコメント要約

  • ミニマルなアプローチの効果: メタバースクライアントをRustで書いており、Vulkan、WGPU、Rend3を使って複雑な問題に直面している。WGPUはさまざまなプラットフォームをサポートしようとするため、開発が難しい。

  • Vulkanの長所とOpenGLの手軽さ: Vulkanは高度なGPU機能を最大限に活用できるが、OpenGLはシンプルな2D/ローポリゲームに適している。AAAゲーム業界はグラフィック品質に重点を置くが、多くのプレイヤーはゲームプレイにより関心を持っている。

  • 必要な機能だけを実装: ジュニアプログラマーは最新のツールや「ベストプラクティス」に執着しがちだが、実際の問題解決に必要な最小限の機能に集中することが重要だ。

  • Vulkanの複雑さ: VulkanはOpenGLに比べて性能最適化が難しく、多くのコードと同期作業が必要になる。趣味用途ではOpenGL ES3のほうが手軽だ。

  • 追加の抽象化レイヤーの問題: Vulkanを学ぶ資料では追加の抽象化レイヤーが導入されていることが多く、基本的なメモリ管理の例を見つけにくい。

  • Vulkan学習の困難さ: OpenGLは学びやすかったが、Vulkanは簡単な作業さえ複雑にしてしまう。新しい技術を学ぶには多くの時間がかかる。

  • 科学データ可視化のためのVulkan学習: Vulkanを学んで科学データ可視化エンジンを書いたが、学習過程で多くの抽象化を理解するのに時間がかかった。

  • Vulkan学習の難しさ: Vulkanを実際のエンジンでどう使うかを理解するのは難しい。よい抽象化やレンダリング順序の決め方を学ぶために、さらに多くの資料が必要だ。

  • グラフィックスプログラミングコミュニティの支援: Vulkanエンジンを開発する過程で、コミュニティの支援とフィードバックが大きな助けになった。