目次

• はじめに

第1章　Vulkan概要

• Vulkanとは
  • 低レイヤーに位置付くGPU操作のAPIセット
  • マルチプラットフォーム対応
  • マルチコア時代を活かしたマルチスレッド対応
  • SPIR-Vを用いたシェーディングの中間言語の採用
  • バージョン更新が続くAPIセット
• GPUのアーキテクチャの歴史
  • ハードウェアによるジオメトリエンジン搭載
  • プログラマブルシェーダーの登場
  • ユニファイドシェーダーの時代
• グラフィックスAPIの歴史
  • 固定機能による描画世代
  • OpenGL1.5/2.x（プログラマブルシェーダー世代）
  • OpenGL3.x世代
  • OpenGL4.x世代
  • Vulkan 1.0
  • Vulkan 1.1
  • Vulkan 1.2
  • Vulkan 1.3
  • Vulkan 1.4
• 画面に3Dグラフィックスが描画されるまで
  • CPUからGPUへコマンドを発行
  • GPUでグラフィックスパイプラインを実行
  • ［コラム］DirectXにおけるテッセレーション用シェーダー
• OpenGLからVulkanへの変化
  • ドライバの機能がスリム化
  • シェーダーコンパイラが分離
  • ［コラム］シェーダーの中間表現
  • マルチスレッドへの対応
• レイヤーと拡張機能
  • レイヤー
  • 拡張機能

第2章　ウィンドウの表示

• アプリケーションクラスの準備
• Vulkanコンテキストクラスの準備
• メインループの作成
• Vulkanの初期化処理
  • Vulkanインスタンスの作成
  • 物理デバイスの選択
  • Vulkan論理デバイスの作成
  • コマンドプールの作成
• デバッグ機能を有効化
  • Validation Layer
  • VK_EXT_debug_utils拡張機能
  • 検証レイヤー有効化によるデバッグ支援
• Vulkanの同期オブジェクト
  • フェンスの作成・破棄
  • セマフォの作成・破棄
• プレゼンテーション関係の初期化処理
  • サーフェスとは
  • サーフェスの作成
  • スワップチェイン
  • スワップチェインの生成
  • スワップチェインが保持するイメージへのビューを生成
  • スワップチェインのフレームコンテキスト
  • スワップチェイン初期化を繋ぐ
  • ［コラム］スワップチェイン作成関数の補足
• Vulkanによる描画処理
  • コマンドバッファクラスの実装
  • フレームコンテキストの作成
  • スワップチェインから描画先を取得
  • ［コラム］スワップチェインから得られるイメージのインデックスに注意
  • 描画ループを作る
  • フレームコンテキストの同期処理
  • ［コラム］プレゼンテーション完了待ちセマフォのトリック
  • 画面のクリア処理
  • ［コラム］セマフォについて
• Vulkanの終了処理

第3章　ポリゴンの表示

• Vulkanによるポリゴン描画までの流れ
• アプリケーションクラスを修正
  • OnInitializeの実装
  • OnCleanupの実装
• 頂点バッファの作成
  • ［コラム］情報
  • VkBufferの生成
  • メモリの確保と割り当て
  • VertexBufferクラスの作成
  • InitializeTriangleVertexBufferの実装
• アセットパスを取り扱う仕組みの準備
• シェーダーの準備
  • 頂点シェーダーの記述
  • フラグメントシェーダーの記述
  • シェーダーのコンパイル
• パイプラインレイアウトの作成
• パイプラインの作成
  • グラフィックスシェーダーステージ
  • 頂点入力ステート
  • 入力アセンブリ情報
  • テッセレーション情報
  • ビューポート情報
  • ラスタライザー設定
  • マルチサンプル情報
  • デプスステンシル情報
  • カラーブレンド情報
  • 動的ステート情報
  • 動的レンダリング情報
  • ［コラム］動的レンダリングにより実装がしやすくなった
  • その他
  • パイプラインビルダーの作成
• 描画コマンドの作成
  • パイプラインのバインド
  • 頂点バッファのバインド
  • ポリゴンの描画コマンド
• 後始末

第4章　3Dポリゴンの表示

• 3Dオブジェクト描画までの流れ
  • サンプルプログラムの初期化コード
• デプスバッファの作成
  • VkImageの作成
  • メモリの確保と割り当て
  • VkImageViewの作成
  • DepthBufferクラスの作成
• ステージングバッファクラスの作成
• リソースアップローダーの作成
• 3D立方体データの作成
  • インデックスバッファクラスの作成
  • 立方体のジオメトリデータ
  • 各バッファの作成
• 3D処理のための行列計算
  • 行列の準備
  • ［コラム］GLMの設定に注意
  • 頂点シェーダーの実装
• ライティング処理
  • 拡散反射光: Lambert拡散反射モデル
  • 鏡面反射光: Phong鏡面反射モデル
  • 環境光
  • フラグメントシェーダーの実装
• ユニフォームバッファの作成
  • UniformBufferクラスの作成
  • 描画で使用するユニフォームバッファの作成
  • ［コラム］ユニフォームバッファのアクセス場所の切り替え方
• ディスクリプタセットの準備
  • ディスクリプタプールの作成
  • ディスクリプタセットレイアウトの生成
  • ディスクリプタセットの確保
  • ディスクリプタへ内容を書き込む
• パイプラインレイアウトの作成
• パイプラインの作成
  • デプスステンシルステートの設定
  • ビューポートの上下反転設定
  • パイプラインの作成
• 描画コマンドの作成
  • ユニフォームバッファの更新
  • 動的レンダリングの開始とバッファクリア
  • グラフィックスパイプラインに各リソースをバインドする
  • ポリゴンをインデックス付き描画する
• 後始末
  • ディスクリプタセット関連の後始末
  • SimpleCubeApp::OnCleanup()の実装

第5章　テクスチャの表示

• テクスチャの概要
  • テクスチャの種類
  • テクスチャ座標系
  • テクスチャフィルタリングモード
  • ミップマップ
  • テクスチャアドレッシングモード
  • テクスチャのフォーマット
• テクスチャの作成
  • 画像ファイルの読み込み
  • VkImageの作成
  • メモリの確保と割り当て
  • VkImageViewの作成
  • テクスチャクラスの作成
  • テクスチャローダーの実装
  • 画像内容の転送
  • ［コラム］テクスチャ向けファイルフォーマットについて
• パイプラインバリアとリソースバリア
  • パイプラインバリア
  • リソースバリア（リソース同期）
  • ［コラム］最も安全なバリア
• シェーダーの準備
• サンプラーの作成
  • VkSamplerの作成
  • サンプラークラスの実装
  • サンプルプログラムでの実装
• ディスクリプタセットの準備
  • ディスクリプタセットレイアウトの作成
  • ディスクリプタセットの準備
• パイプラインの作成
• 描画コマンドの作成と実行

第6章　モデル（ポリゴンメッシュ）の表示

• 3Dモデルデータフォーマット
• glTFフォーマットについて
  • ［コラム］glTFの埋め込み形式について
• モデルデータのロード
  • Open Asset Import Library（assimp）
  • モデルデータの構築
• 発展的なライティング処理の基本
  • 法線マッピング（Normal mapping）
  • ［コラム］もっと詳しく知りたい場合には
  • 物理ベースレンダリング（PBR:Physically-based rendering）
• レンダラーの作成
  • ディスクリプタセットの設計
  • BasicPBRRenderクラスの作成
  • プッシュ定数（Push Constant）の導入
  • モデル描画パイプラインの作成
• 描画用データの構築
  • ModelResourceクラスの作成
  • DrawObjectクラスの作成
  • ダイナミックユニフォームバッファの作成
  • PBRシェーダーの実装
  • シーン用ディスクリプタセットの準備
  • モデルのロードと描画インスタンスの作成
• モデルの描画
  • モデル行列の更新
  • ダイナミックユニフォームバッファへの書き込み
  • OnDrawFrameでの描画処理
  • BasicPBRRender::Drawの実装
  • ［コラム］モデルの描画方法は1つではない

第7章　テッセレーション

• テッセレーションの概要
  • テッセレーションの処理の流れ
  • テッセレーションのモード
  • テッセレーションの分割制御モード
  • テッセレーション使用時の注意事項
• テッセレーションを有効にしたプログラムの実装
  • パッチデータの準備
  • ディスクリプタセットレイアウトの準備
  • パイプラインの作成
• シェーダーの実装
  • テッセレーション制御シェーダー（TCS）
  • ［コラム］テッセレーション係数の設定について
  • テッセレーション評価シェーダー（TES）
  • 頂点シェーダー
• 描画コマンドの作成

第8章　コンピュートシェーダー

• コンピュートシェーダーの概要
• コンピュートシェーダーの実行モデル
  • GPUの構造
  • Vulkanにおける計算タスクの構成要素
  • 各階層構造の実行関係
  • 計算処理結果の利用
• コンピュートパイプライン
• Shader Storage Buffer Object
  • ディスクリプタセットレイアウトの作成
  • ディスクリプタセットへの書き込み
• シェーダーの書き方
  • ワークグループのサイズ設定
  • リソースの割り当て
  • 計算対象の特定
• コンピュートシェーダーの実行
  • パイプラインの生成
• 実行
• 共有メモリ
• 画像フィルター
  • 初期化の流れ
  • ガウス関数
  • ストレージバッファ・イメージクラスの作成
  • リソースの用意
  • ガウスフィルターシェーダーの実装
  • ディスクリプタセットの準備
  • 計算の実行とパイプラインバリア
  • 共有メモリを使用する
  • ［コラム］どのくらい速くなるか
• 合計値を求める
  • アトミック操作
  • リダクション操作と共有メモリを使用した実装
  • ［コラム］コンピュートシェーダーの実装は奥が深い
  • ［コラム］アトミック加算が出来ない環境の場合
  • 32bit整数型以外のアトミック操作について

第9章　メタローダーを使う

• ローダーとは
• メタローダーの使用
• volkを組み込む

第10章　レイトレーシング

• レイトレーシング基本アルゴリズム
  • 古典的レイトレーシング
  • パストレーシング
• Vulkanレイトレーシング
  • Vulkanレイトレーシングの概要
  • Acceleration Structure
  • レイトレーシングパイプライン
  • ［コラム］レイの再帰処理も可能
  • レイクエリー（Ray Query）
• レイトレーシングの実装・共通
  • レイトレーシング機能を有効化
  • BLASの構築
  • TLASの構築
  • TLAS/BLAS構築の便利クラスの作成
  • 描画結果バッファの作成
  • 描画結果をコピーするパイプラインの作成
  • ［コラム］レイトレーシング結果の書き込みとコピーについて
• レイトレーシングパイプラインで三角形を描画する
  • 初期化の流れ
  • Acceleration Structureの作成
  • ディスクリプタセットの設計と準備
  • レイトレーシングのシェーダー
  • シェーダーのコンパイル
  • レイトレーシングパイプラインの作成
  • Shader Binding Tableの作成
  • ディスクリプタセットの作成
  • レイトレーシングの実行
• レイトレーシングパイプラインで古典的レイトレーシングの実装
  • 初期化の流れ
  • ディスクリプタセットの設計
  • ModelResource,DrawObjectクラスの実装
  • Acceleration Structure（BLAS）の作成
  • モデルデータのロードとTLASの作成
  • レイトレーシングのシェーダー
  • レイトレーシングパイプラインの作成
  • Shader Binding Tableの構築
  • レイヒット時に使用されるシェーダーレコードの関係
  • ディスクリプタセットの作成
  • レイトレーシングの実行
  • ［コラム］バインドレス
• レイクエリーでパストレーシングの実装
  • 初期化の流れ
  • ディスクリプタセットの設計
  • BLASと対応するジオメトリ情報の構築
  • 乱数状態バッファの準備
  • 累積加算バッファの準備
  • レイクエリーを使用したシェーダーの実装
  • ［コラム］結果取得のcommittedについて
  • パイプラインの作成
  • 描画コマンドの構築と実行結果

第11章　メッシュシェーダーパイプライン

• メッシュシェーダーパイプラインとは
• メッシュシェーダーによる描画実装の流れ
• シンプルなポリゴンの描画
  • メッシュシェーダーパイプラインを有効化する
  • ディスクリプタセットレイアウトの作成
  • 頂点バッファやインデックスバッファの作成
  • ディスクリプタセットの作成
  • メッシュシェーダーの実装
  • メッシュシェーダーパイプラインの作成
  • 描画コマンドの構築と実行結果
• メッシュレットによる描画
  • メッシュレットとは
  • ディスクリプタセットレイアウトの作成
  • ModelResourceクラスの作成
  • DrawObjectクラスの作成
  • メッシュレットを作る
  • メッシュシェーダーの実装
  • フラグメントシェーダーの実装
  • メッシュシェーダーパイプラインの作成
  • 描画コマンドの作成
• メッシュシェーダーパイプライン活用のヒント
  • メッシュレットのカリング
  • メッシュレットの詳細度を変更
  • タスクシェーダーの利用
  • ワークグループサイズの選択
  • ［コラム］共有メモリサイズに注意

第12章　RenderDocによるデバッグ

• インストールとプログラムの起動
• GPUキャプチャ方法
• 各ウィンドウの説明
  • Event Browser
  • Texture Viewer
  • Pipeline State
  • Mesh Viewer
  • Shader Viewer
• その他ツールの紹介
  • GFXReconstruct
  • NVIDIA Nsight Graphics
  • Intel Graphics Performance Analyzers

付録A　タイムラインセマフォ

• タイムラインセマフォ
• タイムラインセマフォの生成・破棄
  • タイムラインセマフォの更新と待機（GPU側）
  • タイムラインセマフォの更新と待機（CPU側）
  • コマンドバッファ同期に使用したフェンスを置き換える
  • ［コラム］タイムラインセマフォのカウンタ値に注意

付録B　レンダーパスを使う描画

• レンダーパスとは
  • ［コラム］レンダーパスを使用した描画は非推奨
• レンダーパスの作成
• フレームバッファの作成
• 描画処理
• 後始末

付録C　Vulkanプロファイル

• プロファイル
• Vulkan Profiles Libraryの利用
• インスタンスの初期化
• デバイスの初期化

付録D　Windows向け開発環境の設定

• Vulkan SDKの入手とインストール
• C++プロジェクトの作成と設定
  • プロジェクトの設定
• プロジェクトテンプレートの利用

付録E　他のプラットフォームへ対応する

• Linux向け対応
• Android向け対応
  • Android向けサーフェスの作成
  • Androidのメッセージループ
  • プロジェクトの構成変更
  • 実行

• 索引
• あとがき