研发实战：如何在Oculus Mobile VR平台进行Vulkan开发
Oculus正在大力推广Vulkan的采用
（映维网 2019年08月09日）移动VR从一开始就将OpenGL ES作为图形API，但现在大多数引擎都开始转向Vulkan和DX12等API，因为它们为开发者提供了更大的灵活性和更低的渲染负载。Oculus日前介绍了GL和Vulkan在开发VR游戏功能方面的差异。需要注意的是，本文深入介绍了与图形相关的细节，读者需要掌握GL和Vulkan的基本知识。下面是映维网的具体整理：
由于Adreno图形驱动和Oculus运行时方面的改动，下面介绍的大多数功能都需要新发布的Build 7.0版本。
1. 多重采样抗锯齿（Multi-sampling Anti-aliasing；MSAA）
与PC显卡不同，移动芯片集的MSAA是由Tiler执行MASS操作，然后当Tile完成时进行解析（将所有子样本平均到最终像素），再将其结果存储到主存储器。由于从Tile内存到一般内存的带宽是非MSAA，这允许我们以接近与非MSAA相同的速度运行MSAA帧缓冲器。这对VR非常重要，因为每个眼睛的像素非常低，会产生明显的边缘锯齿。
对于GLES，这是通过使用MSAA帧缓冲区将其渲染到非MSAA纹理来完成。MSAA帧缓冲区使用以下函数进行初始化：glFramebufferTextureMultisampleMultiviewOVR
尽管有效，但由于其隐式性质，这引起了一系列的问题，例如“我不认为我的系统支持MSAA，我的纹理只是RGBA8888，我如何启用MSAA”。
在Vulkan中，由于一切都为显式。每个子通道由包含pColorAttachments，pDepthStencilAttachment和pResolveAttachments的vkSubpassDescription结构定义。一个优秀的Vulkan应用程序应该通过附着4x MSAA缓冲区来设置MSAA，并将其用于颜色/深度附件中的颜色和深度，以及pResolveAttachment中的非MSAA颜色缓冲区。应用程序同时应该将pColorAttachments和pDepthStencilAttachments storeOperations设置为VK_ATTACHMENT_STORE_OP_DONT_CARE。这将告诉驱动：“我以后不会要求这种颜色或深度，请不要将它们存储在Tile内存中并丢弃它们”。
加分项是，MSAA颜色和深度缓冲区应该设置为瞬态，并且系统会慢吞吞地分配它们的内存，因为所述缓冲区甚至没有内存（唯一的是pResolveAttachment中的颜色解析附件）。下面是一个优秀的管道状态示例：
使用这一路径（通过renderpass/subpass系统进行MSAA处理）而非vkCmdResolveImage路径非常重要。vkCmdResolveImage路径是一个以PC为中心的API，它不会利用Tiler在存储期间解析的能力，所以通过vkCmdResolveImage命令执行MSAA的引擎会将4x MSAA数据存储在内存中，再次从内存加载到Tiler ，然后将非MSAA解析回内存。这很容易就会给GPU添加3ms。
2. 多视图（Multiviw）
每次提交时，Multiview这个扩展允许GPU驱动程序在纹理数组的N个不同的切片（slice）执行N次绘制调用。它在VR中通过单次绘制调用来在2-deep纹理阵列绘制左眼和右眼。Vulkan通过VK_KHR_Multiview扩展提供支持。它需要颜色，深度和解析图像为2D Array而非2D，并且需要将VkRenderPassMultiviewCreateInfo结构添加到要通过Multiview执行的渲染通道。它（在UE4.23进行了测试）支持多个子通道。renderdoc管道状态图片（与上面相同）展示了具有2个视图的多视图捕获（一个用于左眼，一个用于右眼）。
VkRenderPassMultiviewCreateInfo有一个pViewMasks参数，其要求对多视图的视图数进行按位掩码。对于viewMask[0]值为0b11，双视图系统要求bit0和bit1为真。
我们的运行时本身支持纹理数组作为时间扭曲合成的输入纹理。开发者应该使用VRAPI_TEXTURE_TYPE_2D_ARRAY枚举创建纹理，而非渲染到多视图缓冲区，然后再手动将它们复制到非多视图图像并发送到VRAPI（计算要求非常高）。
3. 固定注视点渲染（Fixed Foveated Rendering；FFR）
从开发者的角度来看，由于两个FFR API之间存在较大的架构差异，所以GL和Vulkan之间的FFR非常不同。从概念上讲，FFR是一种应用于帧缓冲区的渲染设置，因为它会修改GPU计算帧的方式，同时不会以任何方式影响纹理（无论发生什么，颜色和深度纹理中的所有纹素都会被填充）。
实际上，来自QCOM的原始FFR扩展应该通过glFramebufferFoveationConfigQCOM函数应用于帧缓冲区，而老实说它应该存在于API中。但对于Oculus Go，我们希望在无需深入的引擎/应用改动的情形下引入这项功能。更重要的是，我们希望运行时控制应用的注视点设置，这样我们就不需要每位开发者和引擎来控制FFR设置，并且整个平台上都会具有同类设置。所以，我们要求QCOM在颜色纹理中存储FFR元数据（由我们控制，因为运行时分配纹理而非帧缓冲区），因此诞生了glTextureFoveationParametersQCOM。从开发者的角度来看，这个实现在很大程度上是隐藏在运行时中。开发者请求FFR级别（关闭/低/中/高），而我们自动为他们配置更低的级别。
尽管这个解决方案为Go和Quest带来了相当大的帮助，但它却面临着多重挑战。首先，因为它是基于VRAPI修改颜色纹理元数据，所以每个预通道（不会渲染到颜色纹理中）都不是根据注视点进行。现在没有太大问题，因为我们的大多数应用程序都是单通道，但情况总是会发生改变，因为开发者希望启用（例如）HDR管道。其次，QCOM有一个硬编码的注视点功能模型，它不允许我们根据视场和透镜来选择我们真正想要的分辨率曲线。
通过引入VK_EXT_fragment_density_map扩展，Vulkan完全修复了这个问题。需要注视点渲染的应用程序渲染通道不是采用硬编码方程式，而是添加另一个图像附件。它不是写入附件，而是读取附件。这个附件是一个R8G8像素密度图像，与普通附件相比（1216×1344渲染通道将具有38×42片段密度附件），其分辨率为/32并驱动应该渲染的帧缓冲区域的分辨率。
下面是一个片段密度图像示例。黄色区域是我们1：1的高分辨率区域，离屏幕中心越来越远，像素密度将越来越小。
尽管上图纹理有一种注视点的形状，但这种纹理可以是你想要的形状。例如，如果开放世界游戏的开发者不太愿意花费太多时间，他们完全可以减少天空的有效分辨率。对于以方程式为中心的GL扩展，这是完全不可能的事情。纹理同时可以绑定到任何渲染通道，所以双通道HDR-LDR渲染器的开发者可以简单地绑定两个渲染通道中的纹理，并将FFR应用于两者。
考虑到我们还是希望维持VrDriver对注视点曲线的控制，但rendepass是完全由应用程序控制，所以我们最终采用了混合方法。当开发者创建交换链来从Vulkan中的Oculus运行时获取颜色纹理时，它会创建另一个交换链：注视点交换链，其中颜色交换链的索引0与注视点交换链的索引0匹配，依此类推。开发者可以通过新的vrapi_GetTextureSwapChainBufferFoveationVulkan函数请求注视点交换链图像，并且无需对其进行任何修改，只需将它们绑定到自己想要启用FFR的渲染通道即可。
当使用普通的FFR控制API时，我们的运行时将修改注视点交换链图像并生成一个注视点图像，其强度与开发者请求的设置相对应。上图示例是运行时为High注视点设置生成的注视点图像。如果引擎没有任何进一步的变化，图像将自动切换注视点曲线，下一个renderpass的执行将使用新的FFR设置，就像开发者使用OpenGLES的FFR扩展一样。
4. 工具
Vulkan的一大优势是它是PC和Mobile共享的图形API。最重要的是，它是一个无状态API，这意味着驱动程序不需要在命令之间存储基础状态。这极大地帮助了像RenderDoc这样的工具。它支持MSAA，Multiview，VK_EXT_fragment_density_map，并且自RenderDoc 1.4起就可以配合Oculus Quest一起使用。片段密度贴图纹理可以在RenderDoc中可视化，从而确保你获得自己想要的注视点图像，并且帧将包含注视点图像，所以你可以看到头显中的真实纹理输出。
5. 引擎
Oculus 4.22.2 release 1.39.0是我们建议用于Vulkan开发的首个UE4版本。它实现了MSAA，Multiviw，FFR，sRGB原生渲染和多个UE4-Vulkan漏洞修复。注意，要在GitHub中访问所述文件，你需要登录订阅账号，否则你将会看到404错误页面。
我们看到了相当不错的性能增益，一个SunTemple的开发版本在渲染线程上从16ms变成了13sm。另外，由于着色器是SPIRV预编译而非GLSL，加载速度有了显著的提升。
不仅只是速度，Vulkan优化的设计和固有的多线程处理允许我们实现GLES所无法支持的功能，如引擎内每帧定时器查询。stat unit中的GPU定时器数据现在已经可用，并由引擎生成的计时器查询驱动，不再是从运行时传回的平均数据，而且stat gpu为你提供逐渲染通道信息。Vulkan同时允许我们能够开始考虑未来的理论功能，如基于子通道的HDR，多线程着色器加载，简单的色调映射等等。
尽管我们发现这一版本和最新的Quest操作系统就Vulkan而言相当稳定，但对UE4-Vulkan-VR来说仍然是早期阶段，所以如果你遇到任何问题，请向我们报告反馈。
6. 示例
Oculus Mobile样本目录中的VrCubeWorld_Vulkan样本现在已经实现了所有这些功能，你可以进行参阅并从中获取灵感。
7. 总结
希望这篇文章能够为你当前的Vulkan图形开发工作带来帮助，或者如果你是原生开发者或UE4开发者，希望这篇文章可以鼓励你尝试使用Vulkan。除了允许你在PC和移动平台之间轻松共享代码之外，它同时可以令你的图形代码工作更清晰，更快速。
