Vulkan öğrenerek küçük bir oyun motoru geliştirmek

İçindekiler

• Giriş
• Grafik programlama öğrenmek
• Küçük sorunlara takılıp kalmamak
• Neden Vulkan?
• Vulkan öğrenmek
• Motor genel görünümü ve kare analizi
• Genel tavsiyeler
  • Önerilen Vulkan kütüphaneleri
  • GfxDevice soyutlaması
  • Shader işleme
  • Push constant'lar, descriptor set'ler ve bindless descriptor'lar
  • Pipeline kalıpları
  • Programmable Vertex Pulling (PVP) + Buffer Device Address (BDA) kullanımı
  • Bindless descriptor'lar
  • Her kare yüklenmesi gereken dinamik verilerin işlenmesi
  • Destructor'lar, silme kuyruğu ve temizlik
  • Senkronizasyon
• Daha fazla uygulama notu
  • Çok sayıda sprite çizmek
  • Compute skinning
  • Oyun / renderer ayrımı
  • Sahne yükleme ve entity prefab'ları
  • MSAA
  • UI
  • Dear ImGui ve sRGB sorunları
  • Diğer noktalar
• Vulkan'a geçerken kazanılanlar
• Gelecekte yapılacaklar

Giriş

• Bu, Vulkan öğrenip küçük bir oyun motoru yazma deneyimini belgeleyen bir içerik.
• Vulkan hakkında ön bilgi olmadan 3 ay boyunca çalışıldı.
• Küçük bir 3D oyun yapıldı ve yeniden kullanılabilir parçalar motor olarak ayrıştırıldı.

Grafik programlama öğrenmek

• Grafik programlamaya yeni başlayanların önce OpenGL öğrenmesi önerilir.
• OpenGL ile dokulu modelleri ekranda göstermeyi, basit aydınlatmayı ve shadow mapping'i öğrenmek faydalıdır.
• OpenGL öğrenmek için önerilen kaynaklar:
  • learnopengl.com
  • Anton’s OpenGL 4 Tutorials kitabı
  • Thorsten Thormählen'in dersleri (ilk 6 video öneriliyor)

Küçük sorunlara takılıp kalmamak

• Küçük sorunlara gereğinden fazla odaklanmamaya dikkat etmek gerekir.
• Her zaman "Gerçekten gerekli mi?", "Bir darboğaz olacak mı?" diye sormak gerekir.
• Gerekli olmayan özellikler daha sonra eklenebilir.
• Basit bir oyunla başlamak ve aşırı karmaşık bir motor yapmamaya dikkat etmek gerekir.

Neden Vulkan?

• Vulkan, modern GPU özelliklerini kullanabilmeye imkan verir ve açık kaynak teknolojileri ile standartları tercih edenler için uygundur.
• OpenGL küçük oyunlar için yeterlidir, ancak modern GPU özelliklerini kullanmak zordur ve macOS'ta kullanımı sınırlıdır.
• WebGPU, Vulkan'dan daha kolay öğrenilir ve oyunların tarayıcıda çalıştırılmasını sağlar.

Vulkan öğrenmek

• Vulkan'ı öğrenmek başlangıçta zor görünse de, Khronos'un karmaşık kısımları basitleştirmesi ve yararlı kütüphaneler sunması sayesinde öğrenmek kolaylaştı.
• Önerilen Vulkan öğrenme kaynakları:
  • vkguide
  • TU Wien'in Vulkan ders serisi
  • 3D Graphics Rendering Cookbook kitabı
  • Mastering Graphics Programming with Vulkan kitabı

Motor genel görünümü ve kare analizi

• Motorun adı EDBR (Elias Daler’s Bikeshed Engine) ve bir Vulkan öğrenme projesi olarak başladı.
• Motor ağırlıklı olarak küçük, seviye tabanlı oyunlar için uygundur.
• Kare render süreci:
  • Skinning: model skinning işlemi compute shader ile yapılıyor
  • Shadow mapping: 4096x4096 derinlik dokusu kullanılıyor
  • Geometri ve shading: PBR modeli kullanılıyor
  • Derinlik çözümü: fragment shader ile manuel olarak yapılıyor
  • Post-processing efektleri: derinlik sisi, tone mapping ve bloom uygulanıyor
  • UI: UI tek bir draw call ile çiziliyor

Genel tavsiyeler

Önerilen Vulkan kütüphaneleri

• vk-bootstrap: Vulkan başlatma kodunu basitleştirir
• Vulkan Memory Allocator (VMA): bellek tahsisini yönetir
• volk: extension fonksiyonlarının yüklenmesini basitleştirir

GfxDevice soyutlaması

• GfxDevice sınıfı Vulkan işlevlerini kapsüller; Vulkan context başlatma, swapchain oluşturma ve yönetme gibi işleri ele alır.

Shader işleme

• Shader'lar GLSL kullanılarak yazılır.
• Build aşamasında shader'ları önceden derleyerek çalışma zamanı bağımlılıkları azaltılır.

Push constant'lar, descriptor set'ler ve bindless descriptor'lar

• Vulkan'da shader'lara veri aktarmak için descriptor set'ler kullanılır.
• Bindless descriptor'lar ve buffer device address kullanılarak descriptor set kullanımı en aza indirilir.

Pipeline kalıpları

• Çizim aşamalarını ayırmak için pipeline sınıfları kullanılır.
• init, cleanup, draw metotlarıyla pipeline başlatma, temizleme ve çizim işlemleri yapılır.

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

• Vertex türleri tek bir yapıda birleştirilir ve shader içinden vertex'lere doğrudan erişilir.
• Buffer adresleri push constant ile aktarılır.

Bindless descriptor'lar

• Dokular bindless şekilde yönetilerek shader içinden doğrudan erişilebilir hale getirilir.
• Sampling için doku kimliği push constant olarak aktarılır.

GN⁺ görüşü

• Vulkan yüksek performans ve modern GPU özellikleri sunar, ancak başlangıç öğrenme eğrisi diktir.
• Önce OpenGL öğrenip ardından Vulkan'a geçmek daha iyidir.
• Vulkan öğrenmek için çeşitli kaynaklar vardır ve bunlar kullanıldığında öğrenme kolaylaşır.
• Vulkan kullanarak küçük bir oyun motoru yazmak, grafik programlamayı derinlemesine anlamaya yardımcı olur.
• Vulkan'ın karmaşıklığını azaltmak için yararlı kütüphaneler kullanmak iyi bir fikirdir.

[GN⁺]

Hacker News görüşü

Hacker News yorum özeti

• Minimal yaklaşımın etkisi: Bir metaverse istemcisi Rust ile yazılıyor ve Vulkan, WGPU, Rend3 kullanılırken karmaşık sorunlar yaşanıyor. WGPU, birçok platformu desteklemeye çalıştığı için geliştirmesi zorlaşıyor.

• Vulkan'ın avantajları ve OpenGL'in sadeliği: Vulkan, gelişmiş GPU özelliklerinden mümkün olan en yüksek düzeyde yararlanabiliyor; ancak OpenGL, basit 2D/düşük poligonlu oyunlar için daha uygun. AAA oyun endüstrisi görsel kaliteye odaklansa da, birçok oyuncu oynanışla daha çok ilgileniyor.

• Yalnızca gerekli özellikleri uygulamak: Junior programcılar en yeni araçlara ve "best practice"lere takılma eğiliminde, ancak asıl önemli olan gerçek problemi çözmek için gereken en az sayıdaki özelliğe odaklanmak.

• Vulkan'ın karmaşıklığı: Vulkan'da performansı optimize etmek OpenGL'e kıyasla daha zor ve çok daha fazla kod ile senkronizasyon çalışması gerekiyor. Hobi amaçlı işler için OpenGL ES3 daha pratik.

• Ek soyutlama katmanlarının sorunu: Vulkan öğrenme materyalleri ek soyutlama katmanları getirdiği için, temel bellek yönetimi örneklerini bulmak zorlaşıyor.

• Vulkan öğrenmenin zorluğu: OpenGL öğrenmesi kolaydı, ancak Vulkan basit işleri bile karmaşık hale getiriyor. Yeni bir teknolojiyi öğrenmek çok zaman alıyor.

• Bilimsel veri görselleştirme için Vulkan öğrenmek: Bilimsel veri görselleştirme motoru yazmak için Vulkan öğrenildi ve bu süreçte birçok soyutlamayı anlamak zaman aldı.

• Vulkan öğrenmenin güçlüğü: Vulkan'ın gerçek bir motorda nasıl kullanıldığını anlamak zor. İyi soyutlamaları ve render sırasını nasıl belirlemek gerektiğini öğrenmek için daha fazla kaynağa ihtiyaç var.

• Grafik programlama topluluğunun desteği: Vulkan motoru geliştirirken topluluğun desteği ve geri bildirimi büyük yardım sağlıyor.