现代图形API综合比较：Vulkan | DirectX | Metal

发布时间:2024-07-29 17:19

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Vulkan、DirectX、Metal 和 WebGPU 等低级图形 API 正在融合为类似于当前 GPU 构建方式的模型。图形处理单元 (GPU) 是异步计算单元，可以处理大量数据，例如复杂的网格几何形状、图像纹理、输出帧缓冲区、变换矩阵或你想要计算的任何数据。

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GPU 并不总是这样，最初它们是一组基于固定硬件的功能，几乎没有可编程性。随着应用程序突破了这些不可编程系统的功能极限，这种情况发生了变化，这保证了 GPU 制造商和应用程序开发人员之间的竞争不断突破其设计的极限 [Peddie 2023]。帧缓冲区和光栅器 [Fatahalian 2018] 带来了可编程着色器、通用 GPU (GPGPU) 计算，以及最近添加的用于人工智能光线遍历加速和张量处理的硬件。图形 API 伴随着这些变化而不断发展，增加了固定图形管道、计算着色器以及最近的光线遍历功能（DirectX 12 和 Vulkan 光线追踪）。

让我们看一下图形 API 之间的一些相似点和不同点。我们将介绍以下 C++ API：

🌋 Vulcan
❎DirectX 12.x
✖️DirectX 11.x
🤖 Metal
🕸️WebGPU
⚪ OpenGL

OpenGL的设计起源于计算机图形学的早期，被设计为状态机，因此它的接口与现代图形API有很大不同。 DirectX 11 虽然比 OpenGL 更接近现代 GPU 架构，但试图通过将 Vulkan、DirectX 12 和 Metal 目前让开发人员负责的任务委托给驱动程序来简化开发人员的工作。 [罗素 2014]

了解现代图形 API 的遗产是很有用的，因此它们会在相关的地方被提及。

1、执行顺序

无论 API 如何，图形应用程序通常都遵循以下执行顺序：

初始化 API - 创建访问 API 内部工作所需的核心数据结构。
加载资源 - 创建加载着色器等内容所需的数据结构、描述图形管道、创建和填充命令缓冲区以供 GPU 执行，以及将资源发送到 GPU 独占内存。
更新资源 - 将任何uniforms更新到着色器并在此处执行应用程序级逻辑。
呈现 - 将命令缓冲区列表发送到命令队列并呈现结果。
重复 2、3 和 4，直到应用程序发出关闭信号。
销毁 - 等待 GPU 完成所有剩余工作，并销毁所有数据结构和句柄。

因此，我们将按此顺序跟踪 Graphics API 数据结构的创建和使用。

2、导入依赖项

依赖关系示例

API	Structure
Vulkan	#include <vulkan/vulkan.hpp>
DirectX 12	#include <d3d12.h>
DirectX 11	#include <d3d11.h>
Metal	#import <Metal/Metal.h>
WebGPU	Requires Canary Browser with Flags
OpenGL	Varies by OS

启动新应用程序时，你需要包含对外部 API 的所有依赖项，图形 API 也不例外。根据 API，你的项目中可能还需要其他库，例如着色器编译器。

OpenGL 是所有其他图形 API 的例外，因为根据操作系统和你的个人设置，可以从不同位置进行多种导入。

3、着色器编译器

API	Structure
Vulkan	#include "glslang/Include/revision.h"
DirectX 12	#include <D3Dcompiler.h>
DirectX 11	#include <D3Dcompiler.h>
Metal	#import <Metal/Metal.h>
WebGPU	N/A
OpenGL	void glShaderSource(...)

Vulkan 要求你使用生成 SPIR-V 的外部着色器编译器，例如 glslang 或 DirectX Shader Compiler。

对于 DirectX，建议你使用 DirectX 着色器编译器而不是附带的编译器，因为它支持更新的着色器模型版本以及更多优化和速度。

金属着色器可以在运行时编译，也可以在构建时使用 MacOS 路径中包含的 metallib 命令行工具进行编译。

OpenGL 不需要外部库来编译着色器，因为它包含在库中，但它也支持 SPIR-V 作为 OpenGL 4.6 中 GLSL 的可选替代方案。

WebGPU 着色器是纯文本字符串，因此无需编译它们，尽管在生产中去除空格和缩小/损坏符号是个好主意。

4、初始化API

入口API

API	Structure
Vulkan	vk::Instance
DirectX 12	IDXGIFactory4
DirectX 11	IDXGIFactory
Metal	CAMetalLayer
WebGPU	GPU
OpenGL	Varies by OS

图形 API 的入口点通常允许你访问 API 的内部类。

Vulkan 的入口点涉及选择你打算使用的 API 版本以及您想要的任何扩展或层，例如错误检查、窗口表面等。

DirectX 11 和 12 要求您创建一个工厂，以及一个可选的调试数据结构。

在 Metal 上，NSWindow 需要有一个带有 CAMetalLayer 的 NSView（它是 QuartzCore 的一部分）。一旦层存在并附加到窗口，该窗口就可以使用 Metal API 的其余部分。

对于 OpenGL，最接近入口点的是操作系统特定的上下文，你可以在创建操作系统窗口后请求该上下文。

物理设备

API	Structure
Vulkan	vk::PhysicalDevice
DirectX 12	IDXGIAdapter1
DirectX 11	IDXGIAdapter
Metal	MTLDevice
WebGPU	GPUAdapter
OpenGL	glGetString(GL_VENDOR)

物理设备允许你查询重要的设备特定详细信息，例如内存大小和功能支持。

金属是这里唯一的异常值，因为物理和逻辑设备都由相同的数据结构共享。

OpenGL 无法查询任何设备详细信息，除非使用制造商专有的扩展。你可以获得一些杂项数据，例如驱动程序供应商名称、渲染器和 OpenGL 版本。

逻辑设备

API	Structure
Vulkan	vk::Device
DirectX 12	ID3D12Device
DirectX 11	ID3D11Device
Metal	MTLDevice
WebGPU	GPUDevice
OpenGL	N/A

设备使你可以访问 API 的核心内部功能，例如创建纹理、缓冲区、队列、管道等图形数据结构。这种类型的数据结构在所有现代图形 API 中大部分都是相同的，并且具有非常丰富的功能。他们之间几乎没有什么变化。

Vulkan 和 DirectX 12 通过设备创建内存数据结构来提供对内存的控制。

队列

API	Structure
Vulkan	vk::Queue
DirectX 12	ID3D12CommandQueue
DirectX 11	ID3D11DeviceContext
Metal	MTLCommandQueue
WebGPU	GPUQueue
OpenGL	N/A

队列允许你将任务排入队列以供 GPU 执行。 GPU 是一种异步计算设备，因此这里的想法是始终保持忙碌状态，同时控制何时将项目添加到队列中。

Vulkan 队列要求你在创建设备之前指定设备将使用哪些队列。

命令池

API	Structure
Vulkan	vk::CommandPool
DirectX 12	ID3D12CommandAllocator
DirectX 11	ID3D11DeviceContext
Metal	MTLCommandQueue
WebGPU	GPUDevice
OpenGL	N/A

命令池是一种允许你创建命令缓冲区的数据结构。

Metal 的突出之处在于队列也是分配命令缓冲区的数据结构。

5、帧后台API

窗口表面

API	Structure
Vulkan	vk::Surface
DirectX 12	ID3D12Resource
DirectX 11	ID3D11Texture2D
Metal	CAMetalLayer
WebGPU	GPUCanvasContext
OpenGL	Varies by OS

窗口表面API允许你将所有绘制调用绑定到操作系统特定的窗口。

在 DirectX 上，由于只有 Windows / Xbox 作为 API 的目标，因此最接近表面的是从交换链接收的纹理后台缓冲区。交换链接收您的窗口句柄，并从那里创建 DirectX 驱动程序内部的表面。

由于 MacOS 和 iOS 窗口具有分层结构，其中应用程序包含视图，视图可以包含层，因此 Metal 中最接近表面的东西要么是金属层，要么是包裹它的视图。

交换链

API	Structure
Vulkan	vk::Swapchain
DirectX 12	IDXGISwapChain3
DirectX 11	IDXGISwapChain
Metal	CAMetalDrawable
WebGPU	GPUCanvasContext
OpenGL	Varies by OS

交换链在给定窗口的不同后台缓冲区之间翻转，并控制渲染的各个方面，例如刷新率和后台缓冲区交换行为。

Metal 和 OpenGL 在这里脱颖而出，因为 API 缺乏交换链的概念，而是将其留给操作系统窗口 API。

帧缓冲区

API	Structure
Vulkan	vk::Framebuffer
DirectX 12	ID3D12Resource
DirectX 11	ID3D11RenderTargetView
Metal	MTLRenderPassDescriptor
WebGPU	GPURenderPassDescriptor
OpenGL	GLuint

帧缓冲区是在基于光栅的图形管道执行期间用作输出的输出纹理组。

DirectX 12 和 11 没有为此提供显式数据结构，而是你可以传递一组视图。

6、初始化资源

纹理

API	Structure
Vulkan	vk::Image & vk::ImageView
DirectX 12	ID3D12Resource
DirectX 11	ID3D11Texture2D
Metal	MTLTexture
WebGPU	GPUTexture & GPUTextureView
OpenGL	GLuint

纹理是存储颜色信息的数据数组，并用作渲染的输入/输出。 Vulkan、DirectX 12 和 WebGPU 引入了对给定纹理拥有多个视图的想法，这些视图可以以不同的编码格式或颜色空间查看该纹理。 Vulkan 引入了图像和缓冲区的托管内存的概念，因此纹理是图像、使用时的图像视图（可以有多个）以及仅设备中或 CPU-GPU 可访问空间中的内存的三元组。

对于 Vulkan 中管理内存的更传统方式，我强烈推荐 AMD Vulkan 内存分配器。对于 DirectX 12，同一作者发布了 AMD D3D12 内存分配器。

缓冲区

API	Structure
Vulkan	vk::Buffer & vk::BufferView
DirectX 12	ID3D12Resource
DirectX 11	ID3D11Buffer
Metal	MTLBuffer
WebGPU	GPUBuffer & GPUBufferView
OpenGL	GLuint

缓冲区是一个数据数组，例如网格的位置数据、颜色数据、索引数据等。类似的图像规则也适用于 Vulkan 和 WebGPU 中的缓冲区。

着色器

API	Structure
Vulkan	vk::ShaderModule
DirectX 12	ID3DBlob
DirectX 11	ID3D11VertexShader or ID3D11PixelShader
Metal	MTLLibrary
WebGPU	GPUShaderModule
OpenGL	GLuint

着色器往往是已编译的着色器（HLSL、GLSL、MSL 等）代码块的句柄，该代码将馈送到给定的管道。

着色器绑定

API	Structure
Vulkan	vk::PipelineLayout & vk::DescriptorSet
DirectX 12	ID3D12RootSignature
DirectX 11	ID3D11DeviceContext::VSSetConstantBuffers(...)
Metal	[MTLRenderCommandEncoder setVertexBuffer: uniformBuffer]
WebGPU	GPUPipelineLayout
OpenGL	GLint

大多数现代图形 API 都具有绑定数据结构，以帮助将统一的缓冲区和纹理连接到需要该数据的图形管道。 Metal 的独特之处在于，您可以在命令编码器中使用 setVertexBuffer 绑定制服，与 Vulkan、DirectX 12 和 WebGPU 相比，它的架构变得更加容易。

流水线

API	Structure
Vulkan	vk::Pipeline
DirectX 12	ID3D12PipelineState
DirectX 11	Various State Calls
Metal	MTLRenderPipelineState
WebGPU	GPURenderPipeline
OpenGL	Various State Calls

管道是对执行光栅绘制调用、计算调度或光线跟踪调度时将执行的内容的总体描述。

DirectX 11 和 OpenGL 在这里是独一无二的，它们没有用于图形管道的专用对象，而是使用调用在执行绘制调用之间设置管道状态。

命令缓冲区

API	Structure
Vulkan	vk::CommandBuffer
DirectX 12	ID3D12GraphicsCommandList
DirectX 11	ID3D11DeviceContext
Metal	MTLRenderCommandEncoder
WebGPU	GPUCommandEncoder
OpenGL	Intenal to Driver or with GL_NV_command_list

命令缓冲区是一个异步计算单元，你可以在其中描述 GPU 执行的过程，例如绘制调用、将数据从 CPU-GPU 可访问内存复制到 GPU 独占内存，以及动态设置图形管道的各个方面，例如当前剪刀。

以前，你会声明希望 GPU 按程序执行什么，并且 GPU 会执行这些任务，但 GPU 本质上是异步的，因此驱动程序将负责确定何时将任务调度到 GPU。

命令列表

API	Structure
Vulkan	vk::SubmitInfo
DirectX 12	ID3D12CommandList[]
DirectX 11	ID3D11CommandList
Metal	MTLCommandBuffer
WebGPU	GPUCommandEncoder[]
OpenGL	Intenal to Driver or with GL_NV_command_list