Vulkan是一个跨平台的2D和3D绘图应用程序接口（API），最早由科纳斯(Khronos)组织在2015年游戏开发者大会（GDC）上发表。旨在替代OpenGL，提高图形性能。

  基于OpenGL的图形引擎，其渲染过程粗略可分为 主机端资源准备，设备端数据交互与管线准备 及 每帧循环的渲染 三个部分。 Vulkan的最大任务不是竞争DirectX，而是取代OpenGL，所以重点要看和后者的对比。

  Vulkan在很大程度上汲取了AMD Mantle的灵感，但是进行了大幅度的扩展和增强，构成了一个完善的开发体系，功能和性能都十分丰富，拥有最新图形技术、通用目的计算、预编译着色器、多核心多线程高效率、底层驱动过载、横跨桌面/移动/主机/嵌入式、底层GPU硬件控制、精炼API。Vulkan 是完全从零开始设计，以最小化驱动器中的 CPU 开销，并能让您的应用更直接地控制 GPU 操作。Vulkan 还允许多个线程同时执行工作，如命令缓冲区构建，以获得更好的并行化。

  Vulkan支持的操作系统包括：Linux, Windows XP to Windows 10, android等。Vulkan还可以支持主流的GPU，包括：AMD, NVIDIA, Adreno, PowerVR, Mali等桌面GPU和移动GPU。

  Vulkan的shading language环境： Vulkan不再使用GLSL作为shading language的输入，而是使用一个统一的中间代码(SPIR)作为输入。OpenGL/OpenGL ES或者游戏引擎使用的GLSL都会被一个SPIR-V解释器翻译成SPIR表示。未来其它的shading language或者通用计算的语言也会被翻译成SPIR作为Vulkan的输入。这可以使Vulkan驱动专注于shader的后端优化，而不是前端的语法解析，语义分析等。对于GLSL转SPIR，Khronos正在考虑实现一个编译器前端来帮助应用程序转换。

The Khronos Group ，vulkan 开源集- https://github.com/KhronosGroup

关于Vulkan的详细使用参考这个Demo- https://github.com/SaschaWillems/Vulkan

Vulkan标准参考Khronos官网- https://www.khronos.org/registry/vulkan/specs/1.0/refguide/Vulkan-1.0-web.pdf

OpenGL的替代者 Vulkan- https://blog.csdn.net/coloriy/article/details/79908631

  OpenGL还算是对初学者比较友好的API，但到了Vulkan，由于严格把pipeline、descriptor、buffer分开，初学者上手难度变大了，App开发者直接调用图形API的情况将会减少，更多地会依赖于图形引擎。因此，Vulkan标准的渐渐普及会加速开发者的层级分划，使用Vulkan的人将是专业研究图形引擎或作GPGPU算法引擎的人。

  对于有志于研究图形的初学者，可以直接学习Vulkan，不用去学习OpenGL了，Vulkan标准与GPU工作原理更为贴近，学习 Vulkan更有利于掌握图形显示的知识。

#define KPI 3.1415926
void Perspective(GLfloat fovy, GLfloat aspect, GLfloat zNear,  GLfloat zFar)
{
	glMatrixMode(GL_PROJECTION);
	glLoadIdentity();

	double xmin, xmax, ymin, ymax;
	ymax = zNear * tan(fovy * KPI / 360);
	ymin = -ymax;
	xmin = ymin * aspect;
	xmax = ymax * aspect;

	glFrustumf(xmin, xmax, ymin, ymax, zNear, zFar);
	glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
	glHint(GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL_NICEST);	
	glDepthMask(GL_TRUE);
}

void gluLookAt(GLfloat eyex, GLfloat eyey, GLfloat eyez,

			   GLfloat centerx, GLfloat centery, GLfloat centerz,

			   GLfloat upx, GLfloat upy, GLfloat upz)

{

	GLfloat m[16];

	GLfloat x[3], y[3], z[3];

	GLfloat mag;


	/* Make rotation matrix */

	/* Z vector */

	z[0] = eyex - centerx;

	z[1] = eyey - centery;

	z[2] = eyez - centerz;

	mag = sqrt(z[0] * z[0] + z[1] * z[1] + z[2] * z[2]);

	if (mag) {                   /* mpichler, 19950515 */

		z[0] /= mag;

		z[1] /= mag;

		z[2] /= mag;

	}

	/* Y vector */

	y[0] = upx;

	y[1] = upy;

	y[2] = upz;

	/* X vector = Y cross Z */

	x[0] = y[1] * z[2] - y[2] * z[1];

	x[1] = -y[0] * z[2] + y[2] * z[0];

	x[2] = y[0] * z[1] - y[1] * z[0];

	/* Recompute Y = Z cross X */

	y[0] = z[1] * x[2] - z[2] * x[1];

	y[1] = -z[0] * x[2] + z[2] * x[0];

	y[2] = z[0] * x[1] - z[1] * x[0];

	/* mpichler, 19950515 */

	/* cross product gives area of parallelogram, which is < 1.0 for

	* non-perpendicular unit-length vectors; so normalize x, y here

	*/

	mag = sqrt(x[0] * x[0] + x[1] * x[1] + x[2] * x[2]);

	if (mag) {

		x[0] /= mag;

		x[1] /= mag;

		x[2] /= mag;

	}
	mag = sqrt(y[0] * y[0] + y[1] * y[1] + y[2] * y[2]);

	if (mag) {

		y[0] /= mag;

		y[1] /= mag;

		y[2] /= mag;

	}

#define M(row,col)  m[col*4+row]

	M(0, 0) = x[0];

	M(0, 1) = x[1];

	M(0, 2) = x[2];

	M(0, 3) = 0.0;

	M(1, 0) = y[0];

	M(1, 1) = y[1];

	M(1, 2) = y[2];

	M(1, 3) = 0.0;

	M(2, 0) = z[0];

	M(2, 1) = z[1];

	M(2, 2) = z[2];

	M(2, 3) = 0.0;

	M(3, 0) = 0.0;

	M(3, 1) = 0.0;

	M(3, 2) = 0.0;

	M(3, 3) = 1.0;

#undef M

	glMultMatrixf(m);
	/* Translate Eye to Origin */
	glTranslatef(-eyex, -eyey, -eyez);
}

unsigned char *loadBMP(char *filename, BITMAPINFOHEADER *bmpInfo)
{
	FILE *file;
	BITMAPFILEHEADER bmpFile;
	unsigned char *bmpImage = NULL;
	unsigned char tmpRGB;

	file = fopen(filename,"rb");

	if (!file)
	{
		::MessageBox(NULL, L"Can't Find Bitmap", L"Error", MB_OK);
		return NULL;
	}

	fread(&bmpFile,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,file);

	if (bmpFile.bfType != 0x4D42)
	{
		::MessageBox(NULL, L"Incorrect texture type", L"Error", MB_OK);
		fclose(file);
		return NULL;
	}

	fread(bmpInfo,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,file);

	fseek(file,bmpFile.bfOffBits,SEEK_SET);

	bmpImage = new unsigned char[bmpInfo->biSizeImage];

	if (!bmpImage)
	{
		::MessageBox(NULL, L"Out of Memory", L"Error", MB_OK);
		delete[] bmpImage;
		fclose(file);
		return NULL;
	}

	fread(bmpImage,1,bmpInfo->biSizeImage,file);

	if (!bmpImage)
	{
		::MessageBox(NULL, L"Error reading bitmap", L"Error", MB_OK);
		fclose(file);
		return NULL;
	}

	for (unsigned int i = 0; i < bmpInfo->biSizeImage; i+=3)
	{
		tmpRGB = bmpImage[i];
		bmpImage[i] = bmpImage[i+2];
		bmpImage[i+2] = tmpRGB;
	}

	fclose(file);

	return bmpImage;
}

BOOL LoadTexture(char *filename, GLuint *id)
{    
	BITMAPINFOHEADER info;
	unsigned char *bitmap;

	bitmap = loadBMP(filename, &info);

	if (!bitmap)
		return false;

	glGenTextures(1, id);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, *id);
	glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
	glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
	glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
	glTexParameterx(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
	glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, info.biWidth, info.biHeight, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, bitmap); 

	return TRUE;
}

OpenGL的替代者——Vulkan

Vulkan是一个跨平台的2D和3D绘图应用程序接口（API），最早由科纳斯(Khronos)组织在2015年游戏开发者大会（GDC）上发表。旨在替代OpenGL，提高图形性能。

基于OpenGL的图形引擎性能瓶颈

基于OpenGL的图形引擎，其渲染过程粗略可分为 主机端资源准备，设备端数据交互与管线准备 及 每帧循环的渲染 三个部分。 





资源加载

这一过程跟GPU没有太大关系，主要是为了进行显示之前的图片解码、字体解析、3D模型解析等等。一般可以放到其他线程中执行，避免影响显示。



数据交互与管线准备

 

这一过程主要是将必要的数据传到GPU可以读到内存中去，以及准备GPU的指令。 

1､纹理上传 

2､Shader的编译与Program的链接 

3､VBO的数据上传



每帧的图形渲染

 

1､数据交互耗时。 

这里主要需要设常量区的数据。我们绝大部分情况都是在绘制变化的物体，而变化相关的属性主要体现在常量区，因此每帧渲染都需要重新设一遍常量数据。 

2､调用Drawcall耗时。 

DrawCall指真正执行绘制任务的图形API，如glDrawArrays, glDrawElements。调用这些API时，GPU驱动需要产生GPU硬件所能识别的任务，并发送到内核，等待调度执行。



Vulkan编程

关于Vulkan的详细使用参考这个Demo： 

https://github.com/SaschaWillems/Vulkan

Vulkan标准参考Khronos官网： 

https://www.khronos.org/registry/vulkan/specs/1.0/refguide/Vulkan-1.0-web.pdf



编程流程

基本的Vulkan编程流程： 

 

这个流程和OpenCL的使用流程很像，就是找到设备——创建上下文——创建命令队列——准备任务——发送执行。

Vulkan的窗口系统(WSI)（与EGL标准类似）： 

 

注意到，在移动设备上使用OpenGL时，我们必须通过egl的API先准备好Surface和Context，而在Vulkan标准里面，WSI只是为Command Buffer 提供了 VkFrameBuffer，这个是图形渲染的输出。



Pipeline

创建Command Buffer 的三个重要元素分别为 VkDescriptorSet（纹理和常量）、VkPipeline（着色器和状态）和VkBuffer（顶点数组）。 

官网上对Pipeline由下图描述： 



以前的GLProgram现在对应于一个VkPipeline，但VkPipeline除了Program之外，还覆盖了 blend，cull face 等状态： 

 

Vulkan中的Shader只支持spv的标准二进制格式，我们所写的glsl都必须通过官方的一个转换器转换为二进制格式。这样做就不需要GPU驱动去做语法解析等编译前端工作了。

以前在OpenGL中用的Texture 现在由VkImage描述： 





Command Buffer

一个用于图形渲染的 VkCommandBuffer 制作过程如下图： 

 

如图所示，Command Buffer 里面设定了图形渲染所需要的视口、裁剪、管线（各种状态配置和着色器）、顶点数组、描述（纹理、程序常量等）这些属性，之后再发送到命令队列(VkQueue)中就可以执行。



Vulkan的优势



效率上的提升

Vulkan在效率上的提升主要是它天然支持多线程：



异步数据交互

使用OpenGL时，如果把数据交互放到另一个独立线程中完成，将会引起冲突，这个原因是上传资源和进行绘制时都需要改变上下文： 



用Vulkan则没有这个问题： 



并行绘制

由于绘制时要改变上下文，OpenGL的并行绘制无疑也不可能了： 



Vulkan可以并行创建Command Buffer，但由于Command Buffer 提交后就都是GPU驱动怎么执行的事了，执行的过程没必要也没可能用多线程加速。 





复用Command Buffer

OpenGL 每帧绘制时，都需要在驱动层重新建一个Command Buffer 传递下去，而 Vulkan 是在应用层建好 Command Buffer，每帧绘制时Sub上去。

便于模块化

虽然初看上去Vulkan比OpenGL复杂了许多，需要多写不少代码，但真正到软件开发时，由于Vulkan、OpenGL大部分情况都是用来写引擎，中间件的，维护代码的时间会远大于开发代码的时间，多写那几行代码根本不算啥。 

Vulkan更容易封装，各子模块之间互不影响，软件架构设计会轻松不少，开发维护起来更为方便。 

而基于OpenGL开发的各子模块之间总有各种各样因为状态机的缘故引发的Bug，比如： 

1､A模块用了VBO，B模块没有用，集成在一起时由于B模块没有把GL_ARRAY_BUFFER 重新绑定为0,出现段错误。 

2､A模块内部使用了FBO，使用FBO时重新设置了裁剪区域和视口大小，使用完成后没有恢复，导致集成之后，后续的模块绘制出现问题。 

如果基于Vulkan开发，上述的状态不一致的问题将会少很多。

当然，基于Vulkan开发的引擎一般会用多线程加速，这个也会有不少坑，但为了更好的性能，也是值得的。



Vulkan对开发者的影响

OpenGL还算是对初学者比较友好的API，但到了Vulkan，由于严格把pipeline、descriptor、buffer分开，初学者上手难度变大了，App开发者直接调用图形API的情况将会减少，更多地会依赖于图形引擎。因此，Vulkan标准的渐渐普及会加速开发者的层级分划，使用Vulkan的人将是专业研究图形引擎或作GPGPU算法引擎的人。

对于有志于研究图形的初学者，可以直接学习Vulkan，不用去学习OpenGL了，Vulkan标准与GPU工作原理更为贴近，学习 Vulkan更有利于掌握图形显示的知识。

GLUT用于窗口设计（窗口显示，事件处理），90年代已停止更新，替代品有freeGULT，但是听说freeGULT bug很多，后来出现新的替代品GLFW。



GLEW
GLEW的功能是为程序在运行时动态加载OpenGL API，相当于一个加载工具。
它提供了一种机制，让程序在运行时决定支持哪一种OpenGL扩展。
http://glew.sourceforge.net/


GLX
GLX用来将OpenGL与X Window系统对接。


GLU
GLU(OpenGL Utility Library)封装OpenGL，用于绘图。

GLUT
GLUT(OpenGL Utility Toolkit)封装OpenGL，用于窗口设计。
头文件：#incldue <GL/glut.h>
编译：cc -o foo foo.c -lglut -lGLU -lGL -lXmu -lXi -lXext -lX11 -lm
API：glutXxx，V3大约有90+个API函数。


GLFW
GLFW是GLUT的替代品。


DRI


OpenGL API
设置几何图元：在glBegin()和glEnd()之间调用下面函数。
glVertex*()  // 设置顶点坐标
glColor*()  // 设置RGBA颜色
glIndex*()  // 设置颜色索引
glSecondaryColor*()  // 设置纹理应用后的辅助颜色
glNormal*()  // 设置发现向量坐标
glMaterial*()  // 设置材料属性
glFogCoord*()  // 设置雾坐标
glTexCoord*()  // 设置纹理坐标
glMultiTexCoord*()  // 为多重纹理设置纹理坐标
glVertexAttrib*()  // 设置通用的顶点属性
glEdgeFlag*()  // 控制边界的绘制
glArrayElement()  // 提取顶点数组数据
glEvalCoord*(), glEvalPoint*()  // 生成坐标
glCallList(), glCallLists()  // 执行显示列表


Capability
glEnable()  // 打开指定的Capability
glDisable()  // 关闭指定的Capability
glIsEnabled()  // 查询Capability是否打开


查询参数
glGetBooleanv()  // 查询布尔型变量
glGetIntegerv()  // 查询整型变量
glGetFloatv()  // 查询单精度浮点型变量
glGetDoublev()  // 查询双精度浮点型变量
glGetPointerv()  // 查询指针类型状态变量