Vulkan API는 최신 GPU가 탑재된 PC, 안드로이드 스마트폰, 태블릿, 그리고 일부 임베디드 장치에서 널리 지원됩니다. AMD, Nvidia, Intel, ARM(Mali), Qualcomm(Adreno), PowerVR 등 주요 제조사의 최신 하드웨어와 드라이버는 모두 Vulkan을 공식적으로 지원하고 있습니다. 데스크탑에서는 AMD Radeon Rx 200 시리즈 이상, Nvidia GeForce GTX 600 이상, Intel HD Graphics 5000 시리즈 이상이 대표적인 지원 기기입니다. 안드로이드 플랫폼에서는 10 (API 29) 이상 장치에서 Vulkan 1.1이 요구되고, 13 (API 33) 이상에서는 Vulkan 1.3 지원이 필수이며, 2027년 이후 출시되는 안드로이드 버전에서는 Vulkan이 공식 그래픽 API로 채택되었습니다.

애플 기기의 경우 Metal API가 우선이지만, MoltenVK와 같은 서드파티 라이브러리를 이용하면 Vulkan 애플리케이션을 Metal로 변환해 실행할 수 있습니다. 운영체제와 하드웨어에 따라 지원되는 Vulkan 버전은 차이가 있으므로, 최신 드라이버 설치가 필수적입니다.

Vulkan 핵심 객체와 활용 방법

  • VkInstance : Vulkan 문맥(context)으로, GPU 드라이버에 접근하는 데 사용됩니다.
  • VkPhysicalDevice : Physical GPU 그 자체입니다. 기능, 호환성, 메모리 크기, 그 이외의 여러 GPU 세부 사항을 조회하는 데 사용됩니다.
  • VkDevice : GPU를 실제로 실행하는데 사용할 “논리적인 (Logical)” GPU 문맥입니다.
  • VkBuffer : GPU가 접근할 수 있는 메모리 묶음입니다.
  • VkImage : 읽고 쓸 수 있는 텍스쳐입니다.
  • VkPipeline : 그리기에 필요한 GPU 상태를 담고 있는 개겣입니다.(ex. 셰이더, 래스터화, 깊이 설정)
  • VkRenderPass : 렌더링할 이미지의 정보를 담고있습니다. 모든 그리기 명령은 렌더패스(renderpass) 내부에서 수행됩니다.
  • VkFrameBuffer : 렌더패스의 타겟 이미지를 담습니다. 구버전 vkguide에서만 사용됩니다.
  • VkCommandBuffer : GPU 명령을 기록합니다. (드라이버가 아닌)GPU에서 실행되는 모든 명령은 VkCommandBuffer에 기록됩니다.
  • VkQueue : 명령의 실행 지점입니다. GPU는 다른 속성의 큐 모음을 갖습니다. 어떤 큐는 그래픽 명령만 받으며, 다른 어떤 큐는 메모리 명령만 받습니다. 예를 들어 커맨드 버퍼는 큐에 제출되어 실행되는데, 이는 GPU로 렌더링 명령을 전달합니다.
  • VkDescriptorSet : VkBuffer자원이나 VkImage텍스쳐와 같은 데이터를 셰이더로 연결하는 데 필요한 정보를 담습니다. GPU에서의 포인터라고 생각해도 좋습니다.
  • VkSwapchainKHR : 화면의 이미지를 담는데 사용됩니다. 렌더링 한 것을 시각적으로 볼 수 있는 창에 렌더링 할 수 있게 합니다. KHR접미사는 Vulkan 확장의 객체임을 나타냅니다. 여기서는 Vk_KHR_swapchain입니다.
  • VkSemaphore : GPU간 명령 동기화에 사용됩니다. 여러 커맨드 버퍼가 있을 때 하나가 실행되고 그 다음 것이 실행하는 것을 보장하기 위해 사용됩니다.
  • VkFence : GPU와 CPU를 동기화하는 데 사용됩니다. 커맨드 버퍼가 GPU에서 실행이 완료되었는지를 확인할 때 사용합니다.

고수준 Vulkan 애플리케이션 흐름

엔진 초기화

먼저, 모든 것을 초기화합니다. Vulkan을 초기화하기 위해선 VkInstance를 생성하는 것부터 시작합니다. VkInstance로부터 컴퓨터의 사용 가능한 VkPhysicalDevice 핸들의 목록을 조회합니다. 예를 들어, 컴퓨터가 전용 GPU와 통합 그래픽스를 갖는다면, 각각 VkPhysicalDevice가 될 수 있습니다. VkPhysicalDevice로부터 사용 가능한 기능과 제한 사항을 조회한 후 VkDevice를 생성합니다. VkDevice에서는 커맨드를 실행하게 해주는 VkQueue 핸들을 얻을 수 있습니다. 그 후, VkSwapchainKHR을 초기화합니다. VkQueue 핸들로 커맨드 버퍼를 할당할 수 있는 객체인 VkCommandPool을 생성할 수 있습니다.

에셋 초기화

핵심 구조체들이 초기화 되고 나면, 렌더링할 대상에 필요한 자원을 초기화해야합니다. 머테리얼(Material)이 로딩되면 VkPipeline의 집합을 생성합니다. 이는 머테리얼을 렌더링하는 데 필요한 셰이더 조합과 파라미터를 담습니다. 메시(Mesh)를 렌더링 하기 위해 메시의 정점 데이터를 VkBuffer 자원으로, 그리고 메시의 텍스쳐를 VkImage 자원으로 업로드해야 합니다. 이 때 이미지가 “읽을 수 있는” 레이아웃임을 분명히 해야합니다. 또한 주요 렌더링 패스에 대해 VkRenderPass 객체를 만들어야 합니다. 예를 들어, 주요 렌더링하는데 사용할 VkRenderPass가 있을 수 있고, 그림자 패스에 사용할 VkRenderPass가 있을 수 있습니다. 특히 파이프라인 생성은 꽤 비싼 편이기 때문에, 실제 엔진에서는 이러한 작업은 백그라운드 쓰레드에서 병렬화 되어 처리될 수 있습니다.

렌더링 루프

이제 렌더링할 준비가 끝났습니다. 먼저 VkSwapchainKHR에 렌더링할 이미지를 요청해야 합니다. 그리고 VkCommandPool로부터 VkCommandBuffer를 할당하거나 이미 할당된 커맨드 버퍼를 재사용해 커맨드를 작성합니다. 다음으로는 VkRenderPass를 시작해서 렌더링을 시작합니다. 이는 일반적인 VkRenderPass 혹은 동적 렌더링을 사용해 수행할 수 있습니다. 렌더패스는 스왑체인으로부터 받아온 이미지에 렌더링을 수행하도록 지정합니다. 그리고 VkPipeline, (셰이더 파라미터에 필요한)VkDescriptorSet, 정점 버퍼를 바인딩하고 그리기 호출을 실행할 루프를 만듭니다. 렌더패스에서 그리기가 끝났으면 VkRenderPass를 끝냅니다. 렌더링 할 것이 남아있지 않다면 VkCommandBuffer도 끝냅니다. 마지막으로 렌더링하기 위해 커맨드 버퍼를 큐로 제출합니다. 그러면 GPU에서 커맨드 버퍼의 명령들의 실행이 시작될 것입니다. 만약 렌더링한 결과를 화면에 표시하고 싶다면, 렌더링한 이미지를 화면에 “표시(present)”해야합니다. 아직 렌더링이 끝나지 않았을 수 있기 때문에, 세마포어(semaphore)를 사용해 렌더링이 끝날 때 까지 화면에 이미지를 표시하는 작업을 대기시켜야 합니다.

Vulkan에서의 렌더링 루프 의사코드입니다.

// 스왑체인에 렌더링할 이미지의 인덱스를 요청합니다.
int image_index = request_image(mySwapchain);

// 커맨드 버퍼를 생성합니다.
VkCommandBuffer cmd = allocate_command_buffer();

// 커맨드 버퍼를 초기화합니다.
vkBeginCommandBuffer(cmd, ... );

// 스왑체인으로부터 받아온 이미지 인덱스로 새로운 렌더패스를 시작합니다.
// 각 프레임 버퍼는 스왑체인의 이미지를 참조합니다.
vkCmdBeginRenderPass(cmd, main_render_pass, framebuffers[image_index] );

// 모든 객체를 렌더링합니다.
for(object in PassObjects){

    // 객체를 렌더링하는 데 사용되는 구성과 셰이더를 바인딩합니다.
    vkCmdBindPipeline(cmd, object.pipeline);

    // 객체를 렌더링하는 데 사용되는 정점과 인덱스 버퍼를 바인딩합니다.
    vkCmdBindVertexBuffers(cmd, object.VertexBuffer,...);
    vkCmdBindIndexBuffer(cmd, object.IndexBuffer,...);

    // 셰이더 입력으로 사용되는 객체의 디스크립터 셋을 바인딩합니다.
    vkCmdBindDescriptorSets(cmd, object.textureDescriptorSet);
    vkCmdBindDescriptorSets(cmd, object.parametersDescriptorSet);

    // 그립니다.
    vkCmdDraw(cmd,...);
}

// 렌더패스와 커맨드 버퍼를 끝냅니다.
vkCmdEndRenderPass(cmd);
vkEndCommandBuffer(cmd);


// 커맨드 버퍼를 제출하고 GPU에서 실행합니다.
vkQueueSubmit(graphicsQueue, cmd, ...);

// 렌더링한 이미지를 화면에 표시합니다.
// renderSemaphore는 `cmd`가 실행될 때 까지 이미지를 표시하지 않는 것을 보장합니다.
vkQueuePresent(graphicsQueue, renderSemaphore);