커맨드 버퍼

Vulkan에서 드로우 작업이나 메모리 전송과 같은 명령은 함수 호출을 통해 직접 실행되지 않습니다. 수행하려는 모든 작업을 커맨드 버퍼 객체에 기록해야 합니다. 이 방식의 장점은 Vulkan에 우리가 원하는 작업을 전달할 준비가 되었을 때, 모든 명령이 함께 제출되므로 Vulkan이 명령을 더 효율적으로 처리할 수 있다는 것입니다. 또한, 이 방식은 원하는 경우 여러 스레드에서 명령 기록을 수행할 수 있도록 합니다.

커맨드 풀

커맨드 버퍼를 생성하기 전에 커맨드 풀을 생성해야 합니다. 커맨드 풀은 버퍼를 저장하는 데 사용되는 메모리를 관리하며, 커맨드 버퍼는 이 풀에서 할당됩니다. VkCommandPool을 저장할 새로운 클래스 멤버를 추가합니다:

VkCommandPool commandPool;

그런 다음 createCommandPool이라는 새로운 함수를 만들고, 프레임버퍼 생성 후에 initVulkan에서 호출합니다.

void initVulkan() {
    createInstance();
    setupDebugMessenger();
    createSurface();
    pickPhysicalDevice();
    createLogicalDevice();
    createSwapChain();
    createImageViews();
    createRenderPass();
    createGraphicsPipeline();
    createFramebuffers();
    createCommandPool();
}

...

void createCommandPool() {

}

커맨드 풀 생성에는 두 가지 매개변수만 필요합니다:

QueueFamilyIndices queueFamilyIndices = findQueueFamilies(physicalDevice);

VkCommandPoolCreateInfo poolInfo{};
poolInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_POOL_CREATE_INFO;
poolInfo.flags = VK_COMMAND_POOL_CREATE_RESET_COMMAND_BUFFER_BIT;
poolInfo.queueFamilyIndex = queueFamilyIndices.graphicsFamily.value();

커맨드 풀에는 두 가지 가능한 플래그가 있습니다:

VK_COMMAND_POOL_CREATE_TRANSIENT_BIT: 커맨드 버퍼가 매우 자주 새로운 명령으로 다시 기록될 것임을 나타냅니다 (메모리 할당 동작을 변경할 수 있음).
VK_COMMAND_POOL_CREATE_RESET_COMMAND_BUFFER_BIT: 커맨드 버퍼가 개별적으로 다시 기록될 수 있도록 합니다. 이 플래그가 없으면 모든 커맨드 버퍼를 함께 재설정해야 합니다.

우리는 매 프레임마다 커맨드 버퍼를 기록할 것이므로, 커맨드 버퍼를 재설정하고 다시 기록할 수 있어야 합니다. 따라서 VK_COMMAND_POOL_CREATE_RESET_COMMAND_BUFFER_BIT 플래그를 설정해야 합니다.

커맨드 버퍼는 그래픽스 큐나 프레젠테이션 큐와 같은 디바이스 큐에 제출하여 실행됩니다. 각 커맨드 풀은 단일 유형의 큐에 제출되는 커맨드 버퍼만 할당할 수 있습니다. 우리는 드로우 명령을 기록할 것이므로 그래픽스 큐 패밀리를 선택했습니다.

if (vkCreateCommandPool(device, &poolInfo, nullptr, &commandPool) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create command pool!");
}

vkCreateCommandPool 함수를 사용하여 커맨드 풀 생성을 완료합니다. 특별한 매개변수는 없습니다. 명령은 프로그램 전체에서 화면에 물체를 그리는 데 사용되므로, 풀은 프로그램 종료 시에만 파괴되어야 합니다:

void cleanup() {
    vkDestroyCommandPool(device, commandPool, nullptr);

    ...
}

커맨드 버퍼 할당

이제 커맨드 버퍼를 할당할 수 있습니다.

VkCommandBuffer 객체를 클래스 멤버로 생성합니다. 커맨드 버퍼는 해당 커맨드 풀이 파괴될 때 자동으로 해제되므로 명시적인 정리가 필요하지 않습니다.

VkCommandBuffer commandBuffer;

이제 createCommandBuffer 함수를 작업하여 커맨드 풀에서 단일 커맨드 버퍼를 할당합니다.

void initVulkan() {
    createInstance();
    setupDebugMessenger();
    createSurface();
    pickPhysicalDevice();
    createLogicalDevice();
    createSwapChain();
    createImageViews();
    createRenderPass();
    createGraphicsPipeline();
    createFramebuffers();
    createCommandPool();
    createCommandBuffer();
}

...

void createCommandBuffer() {

}

커맨드 버퍼는 vkAllocateCommandBuffers 함수를 사용하여 할당됩니다. 이 함수는 커맨드 풀과 할당할 버퍼의 수를 지정하는 VkCommandBufferAllocateInfo 구조체를 매개변수로 받습니다:

VkCommandBufferAllocateInfo allocInfo{};
allocInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_BUFFER_ALLOCATE_INFO;
allocInfo.commandPool = commandPool;
allocInfo.level = VK_COMMAND_BUFFER_LEVEL_PRIMARY;
allocInfo.commandBufferCount = 1;

if (vkAllocateCommandBuffers(device, &allocInfo, &commandBuffer) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to allocate command buffers!");
}

level 매개변수는 할당된 커맨드 버퍼가 주 커맨드 버퍼인지 보조 커맨드 버퍼인지를 지정합니다.

VK_COMMAND_BUFFER_LEVEL_PRIMARY: 큐에 제출하여 실행할 수 있지만, 다른 커맨드 버퍼에서 호출할 수 없습니다.
VK_COMMAND_BUFFER_LEVEL_SECONDARY: 직접 제출할 수는 없지만, 주 커맨드 버퍼에서 호출할 수 있습니다.

여기서는 보조 커맨드 버퍼 기능을 사용하지 않지만, 주 커맨드 버퍼에서 공통 작업을 재사용하는 데 유용할 수 있습니다.

우리는 단일 커맨드 버퍼만 할당할 것이므로 commandBufferCount 매개변수는 1입니다.

커맨드 버퍼 기록

이제 recordCommandBuffer 함수를 작업하여 실행하려는 명령을 커맨드 버퍼에 기록합니다. 사용할 VkCommandBuffer와 기록하려는 현재 스왑 체인 이미지의 인덱스가 매개변수로 전달됩니다.

void recordCommandBuffer(VkCommandBuffer commandBuffer, uint32_t imageIndex) {

}

커맨드 버퍼 기록을 시작할 때는 항상 vkBeginCommandBuffer를 호출하며, 이 함수는 해당 커맨드 버퍼의 사용에 대한 세부 정보를 지정하는 작은 VkCommandBufferBeginInfo 구조체를 인자로 받습니다.

VkCommandBufferBeginInfo beginInfo{};
beginInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_COMMAND_BUFFER_BEGIN_INFO;
beginInfo.flags = 0; // 선택적
beginInfo.pInheritanceInfo = nullptr; // 선택적

if (vkBeginCommandBuffer(commandBuffer, &beginInfo) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to begin recording command buffer!");
}

flags 매개변수는 커맨드 버퍼를 어떻게 사용할지 지정합니다. 다음 값들이 가능합니다:

VK_COMMAND_BUFFER_USAGE_ONE_TIME_SUBMIT_BIT: 커맨드 버퍼는 한 번 실행된 후 바로 다시 기록됩니다.
VK_COMMAND_BUFFER_USAGE_RENDER_PASS_CONTINUE_BIT: 이는 단일 렌더 패스 내에서 완전히 실행되는 보조 커맨드 버퍼입니다.
VK_COMMAND_BUFFER_USAGE_SIMULTANEOUS_USE_BIT: 커맨드 버퍼가 실행 중인 동안에도 다시 제출할 수 있습니다.

현재로서는 이러한 플래그 중 어느 것도 우리에게 적용되지 않습니다.

pInheritanceInfo 매개변수는 보조 커맨드 버퍼에만 관련이 있습니다. 이는 호출하는 주 커맨드 버퍼로부터 어떤 상태를 상속할지 지정합니다.

커맨드 버퍼가 이미 한 번 기록되었다면, vkBeginCommandBuffer 호출은 암시적으로 이를 재설정합니다. 나중에 버퍼에 명령을 추가하는 것은 불가능합니다.

렌더 패스 시작

드로우 작업은 vkCmdBeginRenderPass로 렌더 패스를 시작하는 것으로 시작됩니다. 렌더 패스는 VkRenderPassBeginInfo 구조체의 일부 매개변수를 사용하여 구성됩니다.

VkRenderPassBeginInfo renderPassInfo{};
renderPassInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_RENDER_PASS_BEGIN_INFO;
renderPassInfo.renderPass = renderPass;
renderPassInfo.framebuffer = swapChainFramebuffers[imageIndex];

첫 번째 매개변수는 렌더 패스 자체와 바인딩할 어태치먼트입니다. 우리는 각 스왑 체인 이미지에 대해 프레임버퍼를 생성했으며, 이는 컬러 어태치먼트로 지정되었습니다. 따라서 우리는 드로우할 스왑 체인 이미지에 해당하는 프레임버퍼를 바인딩해야 합니다. 전달된 imageIndex 매개변수를 사용하여 현재 스왑 체인 이미지에 맞는 프레임버퍼를 선택할 수 있습니다.

renderPassInfo.renderArea.offset = {0, 0};
renderPassInfo.renderArea.extent = swapChainExtent;

다음 두 매개변수는 렌더 영역의 크기를 정의합니다. 렌더 영역은 셰이더 로드 및 스토어가 발생할 위치를 정의합니다. 이 영역 밖의 픽셀은 정의되지 않은 값을 가집니다. 최상의 성능을 위해 어태치먼트의 크기와 일치해야 합니다.

VkClearValue clearColor = {{{0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}}};
renderPassInfo.clearValueCount = 1;
renderPassInfo.pClearValues = &clearColor;

마지막 두 매개변수는 컬러 어태치먼트의 로드 작업으로 VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_CLEAR를 사용할 때 사용할 클리어 값을 정의합니다. 저는 클리어 색상을 단순히 검은색으로 100% 불투명도로 정의했습니다.

vkCmdBeginRenderPass(commandBuffer, &renderPassInfo, VK_SUBPASS_CONTENTS_INLINE);

이제 렌더 패스를 시작할 수 있습니다. 모든 명령 기록 함수는 vkCmd 접두사로 구분할 수 있습니다. 이 함수들은 모두 void를 반환하므로, 기록이 완료될 때까지 오류 처리가 없습니다.

모든 명령의 첫 번째 매개변수는 항상 명령을 기록할 커맨드 버퍼입니다. 두 번째 매개변수는 방금 제공한 렌더 패스의 세부 정보를 지정합니다. 마지막 매개변수는 렌더 패스 내에서 드로우 명령이 어떻게 제공될지 제어합니다. 이는 두 가지 값 중 하나를 가질 수 있습니다:

VK_SUBPASS_CONTENTS_INLINE: 렌더 패스 명령이 주 커맨드 버퍼 자체에 포함되며, 보조 커맨드 버퍼가 실행되지 않습니다.
VK_SUBPASS_CONTENTS_SECONDARY_COMMAND_BUFFERS: 렌더 패스 명령이 보조 커맨드 버퍼에서 실행됩니다.

우리는 보조 커맨드 버퍼를 사용하지 않을 것이므로 첫 번째 옵션을 선택합니다.

기본 드로우 명령

이제 그래픽스 파이프라인을 바인딩할 수 있습니다:

vkCmdBindPipeline(commandBuffer, VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS, graphicsPipeline);

두 번째 매개변수는 파이프라인 객체가 그래픽스 파이프라인인지 컴퓨트 파이프라인인지를 지정합니다. 이제 우리는 Vulkan에게 그래픽스 파이프라인에서 실행할 작업과 프래그먼트 셰이더에서 사용할 어태치먼트를 알려주었습니다.

고정 함수 장에서 언급했듯이, 우리는 이 파이프라인에 대해 뷰포트와 가위 상태를 동적으로 지정했습니다. 따라서 드로우 명령을 실행하기 전에 커맨드 버퍼에서 이를 설정해야 합니다:

VkViewport viewport{};
viewport.x = 0.0f;
viewport.y = 0.0f;
viewport.width = static_cast<float>(swapChainExtent.width);
viewport.height = static_cast<float>(swapChainExtent.height);
viewport.minDepth = 0.0f;
viewport.maxDepth = 1.0f;
vkCmdSetViewport(commandBuffer, 0, 1, &viewport);

VkRect2D scissor{};
scissor.offset = {0, 0};
scissor.extent = swapChainExtent;
vkCmdSetScissor(commandBuffer, 0, 1, &scissor);

이제 삼각형을 그리기 위한 드로우 명령을 실행할 준비가 되었습니다:

vkCmdDraw(commandBuffer, 3, 1, 0, 0);

실제 vkCmdDraw 함수는 약간 실망스럽게도 매우 간단합니다. 하지만 이렇게 간단한 이유는 우리가 미리 지정한 모든 정보 때문입니다. 이 함수는 커맨드 버퍼 외에도 다음과 같은 매개변수를 가집니다:

vertexCount: 버텍스 버퍼가 없더라도 기술적으로는 3개의 버텍스를 그릴 것입니다.
instanceCount: 인스턴스 렌더링에 사용되며, 이를 사용하지 않는다면 1을 사용합니다.
firstVertex: 버텍스 버퍼의 오프셋으로 사용되며, gl_VertexIndex의 최소값을 정의합니다.
firstInstance: 인스턴스 렌더링의 오프셋으로 사용되며, gl_InstanceIndex의 최소값을 정의합니다.

마무리

이제 렌더 패스를 종료할 수 있습니다:

vkCmdEndRenderPass(commandBuffer);

그리고 커맨드 버퍼 기록을 완료합니다:

if (vkEndCommandBuffer(commandBuffer) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to record command buffer!");
}

다음 장에서는 스왑 체인에서 이미지를 획득하고, 커맨드 버퍼를 기록 및 실행한 다음, 완료된 이미지를 스왑 체인에 반환하는 메인 루프 코드를 작성할 것입니다.

C++ 코드 / 버텍스 셰이더 / 프래그먼트 셰이더

Vulkan Tutorial