Vulkan在Android使用Compute shader

　　oeip 相关功能只能运行在window平台，想移植到android平台，暂时选择vulkan做为图像处理，主要一是里面有单独的计算管线且支持好，二是熟悉下最新的渲染技术思路。

　　这个 demo(git地址) 的功能很简单，在android下，利用vulkan的compute shader对输入图进行1-x的运行后，把计算结果复制到当前交换链里正在渲染的图像上显示出来。

　　

　　本文主要记录其中一些过程，因为第一次尝试类似开发，所以有误的地方欢迎大家指出。

　　前期准备工作主要如下，VSCode C++环境配置，熟悉CMake。

　　为什么选择vscode,而不是visual studio/android studio,主要是基于如下考虑，首先在win平台方便调试与测试，在win平台完成demo后再移植到android下就方便了，而visual studio/android studio分别在开发原生win/android下方便，而vscode+cmake的组合很方便在win平台调试测试，然后平稳生成相应的android studio项目方案，然后在android studio里进行调试封装，并且最新android studio首选cmake构建，更方便集成。VSCode必需的C++插件主要是如下几个 C/C++ for Visual Studio Code/Cmake/Cmake tools.

　　然后我花了一些时间在vscode里编译了ogre-next,并把它的cmake文件跟了一遍，大致了解了cmake的用法，总结了下 CMake常用命令 。

　　vulkan结合github上二个vulkan 的demo方案，初步了解vulkan API与渲染流程。vulkan网上说的二千多行代码画个三角形确实一点也不夸张，Vulkan API粒度细，控制度高，以及为多线程渲染设计的渲染队列，渲染命令及同步，所以代码量看着就上去了，但是你根据你的需求简单封装下，如交换链，渲染管线，UBO，buffer等，再写也就大部分业务逻辑代码。简单来说，先根据demo熟悉流程与API，再手动写个2K多行的简单demo,在这过程，通过比较以前opengl/dx的API流程熟悉与加深思路，然后根据你的需求确定一些参数，封装一些类，最后开始你的需求并反向不断完善更新你的封装库。

　　知乎上各位大佬已经把Vulkan API/Demo讲解的非常清晰，这里就说下这个DEMO的流程，供大家参考，欢迎大家指出理解有误的部分。

　　首先窗口初始化相关，这部分也是android/window平台区别最大的部分，注意这里有个大坑，不同win32下，在创建窗口的线程下可以直接创建surface,在android下需要等到窗口的消息APP_CMD_INIT_WINDOW里才能创建surface,android里的native activity初始化过程可以参考 Android——NativeActivity - C/C++ Apk开发，创建surface过程，选择呈现/渲染通道以及同步呈现与渲染的对象，创建renderpass，然后根据surface创建交换链，根据交换链得到呈现image列表，根据image列表得到fbo列表用于附着到RenderPass上用于渲染，这里选择一种比较简单的CommandBuffer记录方式，就是有交换链有几个image,就创建几个对应的CommandBuffer记录.

　　然后创建逻辑设备，加载需要参与计算的输入图像资源，一般来说，图像资源要使用compute shader，usage肯定要有VK_IMAGE_USAGE_STORAGE_BIT，而现在大部分硬件来说，线性 features不支持VK_FORMAT_FEATURE_STORAGE_IMAGE_BIT，用于CPU 可以访问的资源需要linera_tiling.简单来说，compute shader要求的纹理，现在硬件上，CPU大部分不能直接访问，这就要求一个中转，先创建一个CPU可以访问的资源如vkbuffer，然后把数据导入这个资源中，然后通过设备资源间vkCmdCopyBufferToImage复制到原CPU不能访问的GPU纹理上。然后创建一个compute shader要求的输出纹理，对应一个UBO结构，这个UBO对应compute shader输入输出。加载转化的spv文件，生成对应的compute pipeline.

　　在这个需求里，渲染命令不会每桢修改，所以我们完全可以在开始桢渲染前就填充CommandBuffer。

1. 填充计算管线的CommandBuffer，简单来说，就是执行上面的compute pipeline，并把输出纹理layout改成VK_IMAGE_LAYOUT_TRANSFER_SRC_OPTIMAL。
2. 填充呈现渲染里的CommandBuffer，根据交换链里的image数据填充对应的每个CommandBuffer，简单来说，就是把上面计算完成的纹理通过vkCmdBlitImage复制到当前呈现的那张vkimage中。

　　注意，这里只是保存了动作，相当于把action放入队列中，并没执行队列，在这里，所有在每桢运行前的逻辑已经处理完。

　　然后到每桢渲染，如上先等计算管线的fences来信号，这表明GPU队列中已经执行完成CommandBuffer,如下代码的computerCmd又变成可执行状态。注意创建fences时需要先给信号，不然第一次进入就会一起等待，并且fences需要手动reset.然后根据vkAcquireNextImageKHR得到的索引拿到呈现渲染的CommandBuffer，执行完成呈现出来，呈现与渲染的同步都在设备GPU内，一般用VkSemaphore来同步，不同于vkFence,他用于gpu-gpu间的同步，自动reset.　　

void onPreDraw() {
    auto device = context->logicalDevice.device;
    vkWaitForFences(device, 1, &computerFence, VK_TRUE, UINT64_MAX);
    vkResetFences(device, 1, &computerFence);

    VkSubmitInfo submitInfo = {};
    submitInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SUBMIT_INFO;
    submitInfo.commandBufferCount = 1;
    submitInfo.pCommandBuffers = &context->computerCmd;

    VK_CHECK_RESULT(
        vkQueueSubmit(context->computeQueue, 1, &submitInfo, computerFence));
}

　　在window平台测试完，参照vulkan的demo,新建一个android文件夹，设置其中的setings.gragle.

　　

　　主build.gradle就和一般的一样，在vkcs1目录下的build.gradle添加externalNativeBuild的cmake路径，设置好AndroidManifest.xml,如下图。

　　

　　然后就可以用android studio打开这个文件夹，然后Sync Project with Gradle Files,就会补起成余下内容，最后应该是如下结构。

　　

　　正常来说，应该就可以在android studio安装及调试了。

　　最后说下在移植到android下遇到的一些坑。

1. undefined symbol: ANativeActivity_onCreate 找不到，解决方法在CMake中添加set(CMAKE_SHARED_LINKER_FLAGS "${CMAKE_SHARED_LINKER_FLAGS} -u ANativeActivity_onCreate")
2. vkCreateAndroidSurfaceKHR 类似Fatal signal 11 (SIGSEGV)错误。这是前面说的因为需要等到APP_CMD_INIT_WINDOW 消息后，才能初始化surface.
3. 在WIN平台glsl转的spv文件可以直接在android上使用，而hlsl的不行，这里不知是否有误，测试不行。
4. 1080P下16/16的结果不对，二种解决方案，一是使用32/8，满足整除，但是需要图像满足对应的长宽条件，二是divup，然后在shader里传入width/hight,检查ThreadID.xy在width/hight范围了，需要做if检查，但是不限制图像长宽大小。

　　参考：

　　https://github.com/LunarG/VulkanSamples vulkan基本API用法实例

　　https://github.com/SaschaWillems/Vulkan vulkan进阶demo.

　　https://www.zhihu.com/people/xiao-peng-you-38-21/posts 上面vulkan demo的讲解。

　　Android——NativeActivity - C/C++ Apk开发