作者：吴亚峰
出版社：人民邮电出版社有限公司
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Vulkan开发实战详解试读：
前言
为什么要写这样的一本书作为一种跨平台的2D和3D图形应用程序接口，Vulkan因为高性能和低开销而大受欢迎，虽然面市不久，但市面上目前已有不少支持Vulkan的游戏和应用，如《Doom》《Dota2》《极品飞车——无极限》等。同时由于3D应用程序开发比较复杂，而Vulkan比传统的OpenGL更加复杂，造成入门门槛较高，初学者无从下手。根据这种情况，作者结合多年从事3D游戏及应用开发的经验编写此书。
Vulkan起初被称为GLNext，了解一些3D领域的技术人员都知道，当下多种平台上的3D应用开发很多是基于OpenGL的，但面向单线程任务设计的OpenGL在当下的处境比较尴尬，单线程的问题严重制约了新一代GPU渲染能力的发挥。
Vulkan则良好地解决了这一问题，其原生支持多线程并发渲染，留给了开发人员充分的发挥空间。Vulkan的许多新特性也使渲染的3D场景光影效果更加真实，实现过程更加迅速。本书在给出实际的案例时涉及了安卓、Windows、macOS、iOS、Linux等主流平台，充分考虑到了各个不同主流目标平台读者的需求。
经过两年多见缝插针式的奋战，本书终于交稿了。回顾写书的这两年时间，不禁为自己能最终完成这个耗时费力的“大制作”而感到欣慰。同时也为自己能将从事游戏与应用开发近15年来积累的宝贵经验以及编程感悟，分享给正在开发阵线上埋头苦干的广大开发人员而感到高兴。
贾岛的《剑客》一诗有言：“十年磨一剑，霜刃未曾试，今日把示君，谁有不平事？”从1998年首次接触Java与OpenGL算起，到现在已经20多年了。作者希望用20多年的知识和经验打磨成的“利剑”，能够帮助广大读者在实际工作中披荆斩棘、奋勇向前。本书特点1．内容丰富，由浅入深
本着“起点低，终点高”的原则，本书涵盖从Vulkan必知必会的基础知识到基于Vulkan实现各种高级特效，最后还给出了一个完整的3D游戏案例。这样的内容组织使得3D应用开发初学者可以一步一步成长为3D开发的资深人员，符合绝大部分想学习3D应用开发的学生与程序开发人员以及相关技术人员的需求。2．结构清晰，讲解到位
本书配合每个需要讲解的知识点都给出了丰富的插图与完整的案例，使得初学者易于上手，有一定基础的读者便于深入。书中所有的案例均是根据作者多年的开发心得进行设计的，结构清晰明朗，便于读者学习。同时书中还给出了很多作者多年来积累的编程技巧与心得，具有很高的参考价值。3．非常实用的案例源代码
为了便于读者学习，随书提供了书中所有案例的完整源代码（书中所有案例都给出了安卓版和Windows版，最后的大案例还进一步给出了macOS、iOS和Linux版），最大限度地帮助读者快速地掌握各方面的开发技术。内容导读
本书共分为19章，内容按照必知必会的基础知识、基于Vulkan实现基本特效以及高级特效、完整游戏案例的顺序循序渐进地进行详细讲解。章 名主要内容第1章 初识本章简要介绍了Vulkan的诞生、特点、开发环境的搭建以及运行Vulkan机制第2章 渲染管本章主要介绍了渲染管线、着色器预编译和Vulkan调试技术等，线和调试技术为以后的Vulkan项目开发打下良好的基础第3章 着色器本章对可以用于实现Vulkan可编程渲染管线着色器的GLSL进行了编程语言——系统地介绍，为后面各方面的深入学习打下了基础GLSL第4章 投影与本章介绍了3D开发中投影、各种变换的原理与实现，同时还介绍各种变换了几种不同的绘制方式第5章 光照本章介绍了Vulkan中光照的基本原理与实现、点法向量与面法向量的区别以及光照的顶点计算与片元计算的差别等第6章 纹理映本章介绍了纹理映射的基本原理与使用，同时还介绍了不同的纹射理拉伸与采样方式、多重过程纹理技术以及压缩纹理等第7章 更逼真本章介绍了如何使用自定义的加载工具类直接加载通过3D Max创的场景——3D建的3D立体物体模型模型的加载第8章 独特的本章主要介绍了混合以及雾的基本原理与使用场景渲染技术——混合与雾第9章 常用本章主要介绍了一些常用的3D开发技巧，包括标志板、灰度图地3D开发小技巧形、高真实感地形、天空盒与天空穹、简单镜像技术以及非真实感绘制等第10章 两种本章主要介绍了Vulkan中经常使用的两种测试及片元丢弃，包括测试及片元丢剪裁测试、模板测试、片元丢弃操作以及任意剪裁平面等弃第11章 顶点本章主要介绍如何通过顶点着色器实现几种酷炫效果，包括飘扬着色器的妙用的旗帜、扭动的软糖、展翅飞翔的雄鹰、吹气特效等第12章 片元本章介绍了如何通过片元着色器实现几种酷炫效果，包括程序纹着色器的妙用理、数字图像处理技术、分形着色器、3D纹理的妙用、体积雾以及粒子系统火焰特效等第13章 真实本章介绍如何通过Vulkan模拟现实环境中的一些光学效果，如反光学环境的模射、折射、凹凸映射、镜头光晕等。同时本章还介绍了常用的投拟影贴图、绘制到纹理、高级镜像以及高真实感水面倒影等第14章 阴影本章介绍如何通过Vulkan模拟现实世界的阴影及高级光照，主要及高级光照包括平面映射、阴影映射、阴影贴图等几个方面。同时本章还介绍了几种常见的技术，即多重渲染目标、聚光灯高级光源、延迟渲染以及环境光遮蔽等第15章 几种本章主要介绍了一些常用的高级着色器特效，如运动模糊、遮挡高级着色器特透视效果、积雪效果、背景虚化、泛光以及体绘制等效第16章 骨骼本章介绍了3D游戏开发中常用的骨骼动画技术，包括自主开发的动画骨骼动画、ms3d骨骼动画文件的加载以及自定义格式骨骼动画的加载等第17章 让应本章讨论了一些在使用Vulkan开发3D游戏、应用过程中的性能优用运行得更流化问题，包括着色器代码的优化、纹理使用过程中的优化以及3D畅——性能优图形绘制过程中的优化等。同时本章还介绍了几种常见的技术，化即图元重启、几何体实例渲染、遮挡查询、计算着色器的使用以及多线程并发渲染等第18章 杂项本章主要介绍了一些与Vulkan应用开发相关的不太容易分类的知识与技术，主要包括四元数旋转、3D拾取、多重采样抗锯齿、保存屏幕图像、Windows系统窗口缩放、曲面细分着色器与几何着色器，以及苹果与Linux平台下Vulkan应用的开发等第19章 基于本章将通过介绍“方块历险记”游戏在Android平台以及Vulkan的3D休Windows、macOS、iOS、Linux等平台上的设计与实现，对使用闲游戏——方Vulkan 技术开发3D休闲类游戏的步骤做详细讲解块历险记
本书内容丰富，从基本知识到高级特效，从简单的应用程序到完整的3D游戏案例，适合不同需求、不同水平层次的各类读者。● 初学Vulkan应用开发的读者
本书包括在各个主流平台下进行3D应用开发的知识，内容由浅入深，配合详细的案例，非常适合3D游戏、应用开发的初学者循序渐进地进行学习，最终成为3D游戏、应用开发的资深人员。● 有一定3D开发基础并且希望进一步深入学习Vulkan高级开发技
术的读者
本书不仅包括了Vulkan开发的基础知识，同时也包括了基于Vulkan实现高级特效的内容以及完整的游戏案例，有利于有一定基础的开发人员进一步提高开发水平与能力。● 想学习图形学的读者
本书内容组织不单聚焦于Vulkan技术本身，还介绍了很多图形学方面的知识与技术，做到了理论联系实际，也非常适合想基于Vulkan学习图形学的读者。作者简介
吴亚峰，毕业于北京邮电大学，后留学澳大利亚卧龙岗大学取得硕士学位。1998 年开始从事Java应用的开发，有多年的Java开发与培训经验。主要的研究方向为Vulkan、OpenGL ES、手机游戏、以及VR/AR。曾任3D游戏、VR/AR独立软件工程师，并兼任百纳科技软件培训中心首席培训师。近十年来为数十家著名企业培养了上千名高级软件开发人员，曾编写过《OpenGL ES 3x游戏开发（上下卷）》《Unity 案例开发大全》（第1版、第2版）、《VR与AR开发高级教程——基于Unity》《H5和WebGL 3D开发实战详解》《Android应用案例开发大全》（第1版～第4版）、《Android游戏开发大全》（第1版～第4版）等多本畅销技术书。2008年初开始关注Android平台下的3D应用开发，并开发出一系列优秀的Android应用程序与3D游戏。
本书在编写过程中得到了百纳科技软件培训中心的大力支持，同时刘易周、宋润坤、张杰义、毛煜、尹豆、官端亮、李昀阳、刘聪颖、梁超以及作者的家人为本书的编写提供了很多帮助，在此表示衷心地感谢！
由于作者的水平和学识有限，且书中涉及的知识较多，难免有错误疏漏之处，敬请广大读者批评指正，并多提宝贵意见。本书责任编辑联系邮箱为zhangtao@ptpress.com.cn。作者资源与支持
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Vulkan是一种跨平台的2D和3D图形应用程序接口，最早由Khronos组织在2015年GDC上发布。其本质上是AMD Mantle的后续版本，继承了前者强大的低开销架构，使开发人员能够方便全面地获取GPU与多核CPU的性能、功能和提升效率。
相比于OpenGL，Vulkan支持深入硬件底层进行控制，并能大幅度降低CPU在高负载绘制任务中的开销。同时其对多核心CPU的支持也更加完善，更加适应当下从高端工作站到PC平台到移动平台的多核战略。1.1 Vulkan概览
介绍具体的开发技术之前，本节将首先介绍Vulkan的历史传承以及一些技术特点，同时将Vulkan与其他的图形应用程序接口（OpenGL、DirectX、Metal等）进行简要的比较，最后还会介绍一下当下支持Vulkan的游戏，具体内容如下。1.1.1 Vulkan简介
了解Vulkan的具体知识之前，我们有必要首先了解一下市面上主流的各3D图形应用程序接口。目前各平台下主流的3D图形API有OpenGL、OpenGL ES、DirectX、Metal以及Vulkan，其各自的应用领域及特点如下。● OpenGL的应用领域较为广泛，支持多种操作系统平台（如
Windows、UNIX、Linux、macOS等）。基于其开发的应用可以
方便、低成本地在不同操作系统平台之间移植。既可以用于开发
游戏，又可以用于开发工业、行业应用。● OpenGL ES是专门针对移动嵌入式平台而设计的，实际是
OpenGL的剪裁版本。去除了OpenGL中许多不必要的特性，优
化了对性能、供电受限的移动嵌入式平台的支持。● DirectX为微软的专有技术，主要用于Windows下游戏的开发，在
此领域占有极高的比例。最新的版本为DirectX 12，此版本也是
大大优化了对多核CPU的支持，但仅支持Windows 10。● Metal是Apple的专有技术，仅仅能够在macOS以及iOS下使用，
应用的领域相对比较狭窄，目前基于它的应用相对较少。● Vulkan与OpenGL类似，是跨平台的3D图形应用程序接口，同时
支持Windows 7、Windows 8.1、Windows 10、Linux以及Android
等平台。
Vulkan最早被称为下一代OpenGL，项目名称为GLNext。其设计考虑到了统一各个平台的开发，因此不像OpenGL与OpenGL ES那样，根据硬件性能、供电区分不同版本，而是工作站、PC、移动嵌入式等平台完全一致。这对广大开发人员来说，是一个极大的利好。
2016年2月16日，Khronos组织发布了Vulkan的首个正式版本。从此，数字图形技术产业诞生了一个真正意义上能与DirectX 12、Metal分庭抗礼的全新图形应用程序接口。到2016年4月，Google在第二个Android N的开发预览版中也正式加入了对Vulkan的支持。Vulkan的主要特点如下。● Vulkan提供更低的运行开销、更直接的GPU控制和较低的CPU负
载。其通过批处理方式有效减少CPU的负载，将CPU从额外的运
算和渲染中解放出来去执行其他的任务。● 相比于以往面向CPU单核心设计的OpenGL，Vulkan原生支持多
线程并发处理，能够更好地与当下普遍采用多核战略的CPU协同
工作。DirectX 12、Metal等厂商专有的新一代图形应用程序接口
也都在多线程并发方面提供了支持，可见这是业界发展的大趋
势。● 着色器方面，Vulkan也不再像OpenGL一样指定高层的着色器编
程语言（OpenGL指定采用GLSL着色器编程语言），而是采用一
种被称为SPIR-V（Standard Portable Intermediate
Representation）的二进制中间层格式。这样，开发人员在开发
Vulkan着色器时可以选用自己青睐的着色器编程语言，诸如
GLSL、HLSL等，然后将着色器源代码采用着色器专用编译器编
译为SPIR-V格式即可在Vulkan中使用，大大提高了灵活性。● Vulkan将计算任务和图形着色渲染任务统一管理，无需使用单独
的计算和图形应用程序接口进行连接。● 不同于OpenGL的状态机，在运行任务时会自动进行各种错误检
查（不可关闭）。Vulkan为了追求更高的执行效率，将各种错误
的检查设计为可插拔模式。开发人员可以在开发调试时打开所需
的错误检查项目，在发布时关闭错误检查项目，以达到更好的性
能。● Vulkan在架构层面提供了对多轮渲染的支持，使得可以以更高的
效率实现延迟渲染以在特定场景下大大提高渲染效率。
Vulkan本身博大精深，其革命性的设计远远不止上述这些，读者可以跟随本书的脚步逐渐深入地学习Vulkan的方方面面。1.1.2 支持Vulkan的游戏概览
通过前面简单的介绍，读者已基本了解到Vulkan相比于传统图形应用程序接口的多项优势。正因为Vulkan这些突出的特性，目前市面上已有几款知名游戏开始使用Vulkan。但由于Vulkan诞生的时间不长，故使用Vulkan的游戏数量还不是很多。接下来，我们将对使用Vulkan的几款游戏进行简单的介绍。● Dota
作为一款广受玩家欢迎的巨作，早在2016年Dota 2便推出官方补丁使其支持Vulkan。如图1-1所示为原版Dota 2的游戏场景图，图1-2所示为在Vulkan支持下运行的Dota 2游戏场景图。▲图1-1 原版Dota 2游戏场景▲图1-2 Vulkan支持下的Dota 2游戏场景 说明 通过对比图1-1、图1-2可以看出，在游戏画面方面，Vulkan支持下的Dota 2较原版Dota 2场景更加逼真、细腻。在游戏的实际对比测试中，可以感觉到Vulkan支持下的Dota 2运行更加流畅，并且可以观察到CPU使用率更低，这正体现了Vulkan降低CPU开销的特点。● 极品飞车
通过对比Dota 2在使用Vulkan前后的场景画面，我们已经观察到了Vulkan在3D图形处理方面的进步。接下来将通过展示Electronic Arts开发的赛车竞技类游戏“极品飞车：无极限”，进一步感受Vulkan的3D图形处理能力，具体情况如图1-3和图1-4所示。▲图1-3 极品飞车：无极限场景1▲图1-4 极品飞车：无极限场景2 说明 可以看出上述两幅使用Vulkan API渲染出的“极品飞车：无极限”游戏场景画面光影效果极其逼真，烟雾、运动模糊效果都很真实。● Dream League Soccer
介绍完上述两款支持Vulkan的游戏Dota 2和极品飞车之后，不得不介绍First Touch开发的体育类游戏——Dream League Soccer。该游戏自发布以来一直广受玩家的好评，现在更是推出了Vulkan版本，其效果分别如图1-5和图1-6所示。▲图1-5 Dream League Soccer场景1▲图1-6 Dream League Soccer场景2
通过对上述几款游戏画面的观察，我们可以领略到Vulkan在3D图形处理方面的能力提升。前面的内容中，多次提到Vulkan的一大优势是能够大幅度降低渲染时的CPU开销，这将直接影响游戏运行及画面的流畅度，有关权威组织对Vulkan这方面的测试也不少。
比如早在2016年Bethesda和Nvidia就进行了相关测试，测试结果表明使用DirectX 11在1080P分辨率下运行《毁灭战士4》，平均帧率在55～60之间。之后，使用Vulkan进行同样的渲染工作，整个游戏帧率提升到了震撼的120以上，可见Vulkan在降低CPU开销及图形渲染等方面均效果显著。1.2 搭建开发环境
前面介绍过，Vulkan是跨平台的2D和3D图形应用程序接口。因此，为了方便不同目标平台读者的学习，书中所有的案例都给出了基于Windows平台的PC版项目以及Android移动平台下的Android Studio版项目。本节将依次介绍如何配置Vulkan的Android开发环境和Windows开发环境。1.2.1 Android平台开发环境的配置
首先介绍的是Android平台开发环境的配置，需要使用的开发工具包括Oracle的JDK、Android的SDK及NDK、Android Studio等，具体内容如下。1．JDK的下载、安装与配置
JDK是Java Development Kit的缩写，是开发Java程序必备的工具包。其中包含了Java运行环境、Java开发工具和Java的基础类库等。本节主要介绍JDK的下载和安装以及相关环境变量的配置，具体步骤如下。（1）首先登录Oracle网站下载最新的适合自己开发的PC或工作站操作系统版本的JDK安装程序。单击如图1-7所示的按钮进入如图1-8所示的下载页面。▲图1-7 JDK下载页面1▲图1-8 JDK下载页面2 提示 由于新版的Android Studio仅仅支持64位版本的JDK，因此本书中的开发要求安装64位版本的JDK，这一点请读者注意。（2）接着双击下载的JDK安装包（如jdk-9.0.1_windows-x64_bin.exe），开始JDK的安装。安装过程中，系统会弹出如图1-9所示的安装设置界面，若没有特殊需要，单击下一步按钮安装到默认目录即可。当然，也可以单击“更改”按钮设置JDK的安装路径。（3）安装完成后将转到如图1-10所示界面，单击“关闭”按钮结束安装。（4）接着需要在操作系统的Path环境变量中加入JDK的bin路径，用鼠标右键单击“我的电脑”图标，单击属性→高级→环境变量，如图1-11所示。在Path变量中添加JDK的bin路径，如“C:\Program Files\Java\jdk-9.0.1\bin”，并且与前面原有的环境变量用“;”分开。▲图1-9 JDK安装页面▲图1-10 安装完成▲图1-11 设置JDK环境变量（5）最后在环境变量中新增JAVA_HOME项。具体方法为，在环境变量下的系统变量中添加JAVA_HOME项，将变量值设置为JDK的安装路径，如“C:\Program Files\Java\jdk-9.0.1”，整个操作过程如图1-12所示。▲图1-12 新建JAVA_HOME项2．Android Studio及SDK的下载、安装与配置
前面介绍了JDK的安装及相关环境变量的配置，接下来要介绍的是Android Studio的下载与配置。Android Studio是一款用于开发Android应用程序的集成开发工具，其中提供了一套完整的开发工具集，用于开发和调试Android应用程序。相关具体步骤如下。（1）首先打开Android Studio的官方下载网站，如图1-13所示。然后将页面下拉至图1-14所示处，单击“android-studio-ide-171.4408382-windows.exe”进行下载，此时浏览器会弹出下载对话框，提示下载并保存。▲图1-13 Android Studio官方下载首页▲图1-14 Android Studio官网下载处（2）将Android Studio下载成功以后，会得到一个可执行文件。双击打开该文件，根据安装向导的指示安装 Android Studio 和所有所需的 SDK 工具。SDK的安装路径可以自由设置，作者采用的路径为“D:\Android\”，建议读者也使用该路径。 提示 关于Android Studio及SDK具体的安装、设置步骤，读者如果不是很熟悉的话可以参考官方安装指导，也可以参看本书的随书相关视频。要注意的是：安装的过程中还包含了很多文件的下载，因此需要联网。另外，这可能要耗费数小时的时间，读者朋友可以去做其他事情了。3．Android NDK的下载、安装与配置
经过前面的步骤，读者应该已经完成了Android Studio及SDK的安装与配置，此时已经可以基于Java或Kotlin语言进行Android应用程序的开发了。但目前Android平台下Vulkan应用程序的开发仅仅可以使用C/C++语言，因此还需要下载与配置专门用于这方面开发的NDK，具体步骤如下。（1）首先打开Android NDK的官方下载网站，如图1-15所示。单击“android-ndk-r13b- windows-x86_64.zip”进行下载，如图1-16所示。此时浏览器会弹出下载对话框，提示下载并保存。▲图1-15 Android NDK下载界面1▲图1-16 Android NDK下载界面2（2）将Android NDK下载成功以后，会得到一个名称为“android-ndk-r13b-windows-x86_64.zip”的压缩包，将其解压缩到“D:\Android\” 路径下。（3）接着打开Windows的命令行窗口（cmd），依次输入“path=D:\Android\android-ndk-r13b”“d:”“cd D:\Android\android-ndk-r13b\sources\third_party\shaderc”“ndk-build NDK_PROJECT_PATH=. APP_BUILD_SCRIPT=Android.mk APP_STL:=gnustl_static APP_ABI=all libshaderc_combined”等命令进行NDK的构建，如图1-17所示。经过构建操作NDK才能支持基于其进行Android平台下的Vulkan应用程序开发。构建过程需要比较长的时间，随机器性能不同所需时间为5～30分钟，构建成功后命令行窗口如图1-18所示。▲图1-17 构建界面1▲图1-18 构建界面2 提示 作者使用的NDK路径为“D:\Android\android-ndk-r13b”，如果读者使用的不是该路径，需要对输入命令行窗口的内容进行适当修改才可以进行正常构建。虽然理论上说SDK、NDK等可以安装到任何合理的路径下，但这里作者建议读者采用与作者相同的路径，这便于学习、运行书中附带的Android案例项目。当然，如果读者很熟悉项目各方面的配置与修改就无所谓了。4．Android Studio项目的导入
Android的开发环境搭建基本完成后，还有一项重要的工作。那就是运行一下本书第一个Vulkan案例项目——3色三角形。通过运行这个项目，读者就可以掌握如何将本书中的Android平台项目导入Android Studio中运行，具体步骤如下。（1）Android Studio安装成功后出现打开项目界面，如图1-19所示。将随书项目“Sample1_1”的压缩包复制到桌面，并解压缩。接着单击“Import project”打开桌面上解压后的项目，路径如图1-20所示（桌面路径因PC设置的不同而不同），单击“OK”打开项目。▲图1-19 Android Studio打开项目界面1▲图1-20 Android Studio打开项目界面2（2）项目打开完成后，若希望成功运行，还需要安装Cmake插件。单击Tools→Android→SDK Manager，打开SDK管理窗口，如图1-21所示。单击“SDK Tools”，勾选Cmake，单击“Apply”进行安装（请注意这期间需要连接互联网），如图1-22所示。▲图1-21 环境配置界面1▲图1-22 环境配置界面2（3）本书中Android项目的SDK和NDK的默认搜索路径都为“D:\Android\”，如果读者PC中SDK和NDK路径不是“D:\Android\”，项目可能无法正常运行。此时可选择Android Studio的“File”菜单下的“Project Structure”，系统将弹出相关设置界面，如图1-23所示。在界面中设置自己的SDK和NDK的所在路径，单击“OK”完成修改，如图1-24所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]