เรียนรู้ Vulkan เพื่อพัฒนาเอนจินเกมขนาดเล็ก

สารบัญ

• บทนำ
• การเรียนรู้การเขียนโปรแกรมกราฟิก
• อย่ายึดติดกับปัญหาเล็กน้อย
• ทำไมต้อง Vulkan?
• การเรียนรู้ Vulkan
• ภาพรวมเอนจินและการวิเคราะห์เฟรม
• คำแนะนำทั่วไป
  • ไลบรารี Vulkan ที่แนะนำ
  • การทำ abstraction ของ GfxDevice
  • การจัดการเชดเดอร์
  • Push constants, descriptor sets และ bindless descriptors
  • แพตเทิร์นของ pipeline
  • การใช้ Programmable Vertex Pulling (PVP) + Buffer Device Address (BDA)
  • Bindless descriptors
  • การจัดการข้อมูลไดนามิกที่ต้องอัปโหลดทุกเฟรม
  • ตัวทำลาย, คิวลบ และการเก็บกวาด
  • Synchronization
• บันทึกการติดตั้งใช้งานเพิ่มเติม
  • การวาดสไปรต์จำนวนมาก
  • Compute skinning
  • การแยกเกม / เรนเดอเรอร์
  • การโหลดซีนและ entity prefab
  • MSAA
  • UI
  • Dear ImGui และปัญหา sRGB
  • อื่น ๆ
• สิ่งที่ได้จากการย้ายมาใช้ Vulkan
• งานในอนาคต

บทนำ

• เป็นการบันทึกประสบการณ์จากการเรียนรู้ Vulkan และการเขียนเอนจินเกมขนาดเล็ก
• ทำงานอยู่ 3 เดือนโดยไม่มีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับ Vulkan มาก่อน
• สร้างเกม 3D ขนาดเล็กและแยกส่วนที่นำกลับมาใช้ได้ออกมาเป็นเอนจิน

การเรียนรู้การเขียนโปรแกรมกราฟิก

• สำหรับผู้ที่เพิ่งเริ่มต้นด้านการเขียนโปรแกรมกราฟิก แนะนำให้เริ่มจาก OpenGL
• การใช้ OpenGL เพื่อแสดงโมเดลที่มีเท็กซ์เจอร์บนหน้าจอ และเรียนรู้แสงแบบง่ายรวมถึง shadow mapping เป็นสิ่งที่มีประโยชน์
• แหล่งเรียนรู้ OpenGL ที่แนะนำ:
  • learnopengl.com
  • หนังสือ Anton’s OpenGL 4 Tutorials
  • ชุดบรรยายของ Thorsten Thormählen (แนะนำ 6 วิดีโอแรก)

อย่ายึดติดกับปัญหาเล็กน้อย

• ควรระวังไม่ให้ยึดติดกับปัญหาเล็กน้อยมากเกินไป
• ควรถามตัวเองเสมอว่า "จำเป็นจริงหรือ?" และ "มันจะกลายเป็นคอขวดหรือไม่?"
• ฟีเจอร์ที่ยังไม่จำเป็นสามารถเพิ่มทีหลังได้
• ควรเริ่มจากเกมที่เรียบง่าย และระวังไม่ให้เผลอสร้างเอนจินที่ซับซ้อนเกินไป

ทำไมต้อง Vulkan?

• Vulkan เหมาะกับผู้ที่ต้องการใช้ความสามารถสมัยใหม่ของ GPU และชื่นชอบเทคโนโลยีโอเพนซอร์สกับมาตรฐานเปิด
• OpenGL เพียงพอสำหรับเกมขนาดเล็ก แต่ใช้งานความสามารถสมัยใหม่ของ GPU ได้ยาก และบน macOS ก็มีข้อจำกัดในการใช้งาน
• WebGPU เรียนรู้ง่ายกว่า Vulkan และสามารถรันเกมในเบราว์เซอร์ได้

การเรียนรู้ Vulkan

• การเรียนรู้ Vulkan ในตอนแรกดูยาก แต่ Khronos ได้ทำให้ส่วนที่ซับซ้อนง่ายขึ้นและมีไลบรารีที่เป็นประโยชน์ จึงทำให้เรียนรู้ได้ง่ายขึ้น
• แหล่งเรียนรู้ Vulkan ที่แนะนำ:
  • vkguide
  • ชุดบรรยาย Vulkan ของ TU Wien
  • หนังสือ 3D Graphics Rendering Cookbook
  • หนังสือ Mastering Graphics Programming with Vulkan

ภาพรวมเอนจินและการวิเคราะห์เฟรม

• เอนจินชื่อ EDBR (Elias Daler’s Bikeshed Engine) และเริ่มต้นจากโปรเจ็กต์เพื่อเรียนรู้ Vulkan
• เอนจินนี้เหมาะกับเกมขนาดเล็กที่มีด่านเป็นหลัก
• กระบวนการเรนเดอร์ต่อเฟรม:
  • Skinning: ใช้ compute shader ในการประมวลผล model skinning
  • Shadow mapping: ใช้ depth texture ขนาด 4096x4096
  • Geometry และ shading: ใช้โมเดล PBR
  • Depth resolve: จัดการด้วยตนเองผ่าน fragment shader
  • Post-processing effects: ใช้ depth fog, tone mapping และ bloom
  • UI: วาด UI ด้วย draw call เดียว

คำแนะนำทั่วไป

ไลบรารี Vulkan ที่แนะนำ

• vk-bootstrap: ทำให้โค้ดเริ่มต้น Vulkan ง่ายขึ้น
• Vulkan Memory Allocator (VMA): จัดการการจัดสรรหน่วยความจำ
• volk: ทำให้การโหลดฟังก์ชันส่วนขยายง่ายขึ้น

การทำ abstraction ของ GfxDevice

• คลาส GfxDevice ทำหน้าที่ห่อหุ้มความสามารถของ Vulkan และจัดการเรื่องต่าง ๆ เช่น การเริ่มต้น Vulkan context, การสร้างและจัดการ swapchain

การจัดการเชดเดอร์

• เขียนเชดเดอร์ด้วย GLSL
• คอมไพล์เชดเดอร์ล่วงหน้าในขั้นตอน build เพื่อลด dependency ตอนรันไทม์

Push constants, descriptor sets และ bindless descriptors

• ใน Vulkan จะใช้ descriptor sets เพื่อส่งข้อมูลไปยังเชดเดอร์
• ใช้ bindless descriptors และ Buffer Device Address เพื่อลดการใช้ descriptor sets ให้น้อยที่สุด

แพตเทิร์นของ pipeline

• ใช้คลาส pipeline เพื่อแยกขั้นตอนการวาด
• จัดการการเริ่มต้น การเก็บกวาด และการวาดของ pipeline ผ่านเมธอด init, cleanup, draw

การใช้ Programmable Vertex Pulling (PVP) + Buffer Device Address (BDA)

• ทำให้ vertex type เป็นแบบเดียวกัน และให้เชดเดอร์เข้าถึง vertex ได้โดยตรง
• ส่งที่อยู่บัฟเฟอร์ผ่าน push constants

Bindless descriptors

• จัดการเท็กซ์เจอร์แบบ bindless เพื่อให้เชดเดอร์เข้าถึงได้โดยตรง
• ส่ง texture ID ผ่าน push constants เพื่อใช้ในการ sample

ความเห็นของ GN⁺

• Vulkan ให้ทั้งประสิทธิภาพสูงและความสามารถสมัยใหม่ของ GPU แต่เส้นโค้งการเรียนรู้ช่วงเริ่มต้นค่อนข้างชัน
• ควรเรียนรู้ OpenGL ก่อนแล้วจึงย้ายไป Vulkan
• มีแหล่งเรียนรู้หลากหลายสำหรับ Vulkan และหากใช้ให้เป็นก็จะช่วยให้เรียนรู้ได้ง่ายขึ้น
• การเขียนเอนจินเกมขนาดเล็กด้วย Vulkan ช่วยให้เข้าใจการเขียนโปรแกรมกราฟิกได้ลึกขึ้น
• ควรใช้ไลบรารีที่มีประโยชน์เพื่อลดความซับซ้อนของ Vulkan

[GN⁺]

ความเห็นบน Hacker News

สรุปความคิดเห็นจาก Hacker News

• ผลของแนวทางแบบมินิมอล: กำลังเขียนไคลเอนต์เมตาเวิร์สด้วย Rust และกำลังเจอปัญหาที่ซับซ้อนจากการใช้ Vulkan, WGPU และ Rend3 โดย WGPU พัฒนาได้ยากเพราะต้องพยายามรองรับหลายแพลตฟอร์ม

• ข้อดีของ Vulkan และความเรียบง่ายของ OpenGL: Vulkan สามารถดึงความสามารถขั้นสูงของ GPU ออกมาใช้ได้อย่างเต็มที่ แต่ OpenGL เหมาะกับเกม 2D/โพลิกอนต่ำแบบเรียบง่ายมากกว่า อุตสาหกรรมเกม AAA ให้ความสำคัญกับคุณภาพกราฟิกมาก แต่ผู้เล่นจำนวนมากสนใจเกมเพลย์มากกว่า

• ทำเฉพาะฟีเจอร์ที่จำเป็น: โปรแกรมเมอร์รุ่นจูเนียร์มักมีแนวโน้มยึดติดกับเครื่องมือใหม่ล่าสุดและ "best practices" แต่สิ่งสำคัญคือการโฟกัสกับฟังก์ชันขั้นต่ำที่จำเป็นต่อการแก้ปัญหาจริง

• ความซับซ้อนของ Vulkan: เมื่อเทียบกับ OpenGL แล้ว Vulkan ปรับแต่งประสิทธิภาพได้ยากกว่า และต้องใช้โค้ดกับงานซิงโครไนซ์จำนวนมาก ถ้าทำเป็นงานอดิเรก OpenGL ES3 จะสะดวกกว่า

• ปัญหาของชั้น abstraction เพิ่มเติม: เอกสารสอน Vulkan มักเพิ่มชั้น abstraction เข้าไป ทำให้หาตัวอย่างพื้นฐานด้านการจัดการหน่วยความจำได้ยาก

• การเรียนรู้ Vulkan ที่ยากลำบาก: OpenGL เรียนได้ง่าย แต่ Vulkan ทำให้แม้งานง่าย ๆ ก็กลายเป็นเรื่องซับซ้อน และการเรียนรู้เทคโนโลยีใหม่นี้ใช้เวลามาก

• การเรียนรู้ Vulkan เพื่อการทำภาพข้อมูลวิทยาศาสตร์: มีผู้เรียน Vulkan แล้วเขียนเอนจินสำหรับการทำภาพข้อมูลวิทยาศาสตร์ โดยใช้เวลามากในการทำความเข้าใจ abstraction จำนวนมากระหว่างกระบวนการเรียนรู้

• ความยากของการเรียนรู้ Vulkan: เป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจวิธีใช้ Vulkan ในเอนจินจริง ต้องการเอกสารเพิ่มเติมเพื่อเรียนรู้การออกแบบ abstraction ที่ดีและวิธีกำหนดลำดับการเรนเดอร์

• การสนับสนุนจากคอมมูนิตี้กราฟิกโปรแกรมมิง: ระหว่างพัฒนาเอนจิน Vulkan การได้รับการสนับสนุนและฟีดแบ็กจากคอมมูนิตี้ช่วยได้มาก