با Vulkan قدرتمندترین رابط برنامه‌نویسی گرافیکی آشنا شوید

Vulkan با هدف ارائه عملکرد بالا، کارایی بهینه و قابلیت انتقال‌پذیری بین پلتفرم‌ها طراحی شده است. این رابط برنامه‌نویسی امکان آماده‌سازی و ارسال دستورات گرافیکی را به شکل مستقیم به سخت‌افزار فراهم می‌کند، بدون نیاز به میانجی‌گرهای نرم‌افزاری اضافی. این ویژگی‌ها باعث افزایش کارایی و کاهش هزینه‌های مربوط به پردازش گرافیکی می‌شود.

Vulkan در بسیاری از اپلیکیشن‌ها و بازی‌های رایانه‌ای به عنوان جایگزینی برای رابط برنامه‌نویسی OpenGL و DirectX استفاده می‌شود. این رابط برنامه‌نویسی پشتیبانی از ویژگی‌های پیشرفته‌ای مانند بهینه‌سازی‌های چند نخی، رندرینگ موازی و رندرینگ کم مصرف را فراهم می‌کند.

Vulkan چه قابلیت‌هایی در اختیار برنامه‌نویسان قرار می‌دهد؟

Vulkan قابلیت‌های قدرتمندی برای برنامه‌نویسان در اختیار قرار می‌دهد که اولین مورد کنترل مستقیم سخت‌افزار است. Vulkan به برنامه‌نویسان اجازه می‌دهد تا به طور مستقیم با سخت‌افزار گرافیکی ارتباط برقرار کنند. این امکان را به شما می‌دهد که به صورت دقیق دستورات گرافیکی را برای سخت‌افزار مشخص کرده و بهینه‌سازی بیشتری در اجرای آنها داشته باشید. مورد بعدی کارایی بالا است. با استفاده از Vulkan، برنامه‌نویسان می‌توانند عملکرد بالا و بهینه در پردازش گرافیکی داشته باشند. قابلیت انتقال‌پذیری را باید یکی دیگر از ویژگی‌های آن توصیف کرد. این حرف به معنای این است که با استفاده از Vulkan، می‌توانید برنامه‌های گرافیکی خود را بر روی سیستم‌عامل‌ها و دستگاه‌های مختلفی مثل ویندوز، لینوکس، اندروید و iOS اجرا کنید.

Vulkan قابلیت انعطاف‌پذیری بالایی در طراحی برنامه‌های گرافیکی ارائه می‌کند. به طوری که برنامه‌نویسان می‌توانند به طور دقیق و سفارشی‌تر دستورات گرافیکی خود را تعریف کنند و پاسخ‌های مربوطه را دریافت کنند.

Vulkan ‌از چه مولفه‌هایی تشکیل شده است؟

همان‌گونه که اشاره کردیم، Vulkan یک رابط برنامه‌نویسی گرافیکی است که توسط کنسورسیوم Khronos Group تعریف شده است. این رابط برنامه‌نویسی برای توسعه برنامه‌های گرافیکی با کارایی بالا و کنترل دقیق بر روی سخت‌افزارهای گرافیکی طراحی شده است. Vulkan از چند مولفه تشکیل شده است که برخی از آن‌ها به شرح زیر هستند:

لایه‌های SDK شامل مجموعه‌ای از کتابخانه‌ها و ابزارهای برنامه‌نویسی هستند که برنامه‌نویسان می‌توانند از آن‌ها برای توسعه برنامه‌های Vulkan استفاده کنند. این لایه‌ها شامل کتابخانه‌های نوشته شده به زبان سی و سی‌پلاس‌پلاس برای ارتباط با رابط Vulkan و ابزارهایی مانند مدیریت حافظه، انتقال داده و اشیاء گرافیکی هستند.

رابط برنامه‌نویسی Vulkan مشخص می‌کند که چگونه برنامه‌ها می‌توانند با سخت‌افزارهای گرافیکی ارتباط برقرار کنند و عملیات‌های گرافیکی را کنترل کنند. این API شامل مجموعه‌ای از توابع، ساختارها و مفاهیمی است که برنامه‌نویسان برای ساخت، تنظیم و اجرای عملیات گرافیکی در Vulkan استفاده می‌کنند.

اشیا گرافیکی در Vulkan عبارتند از ساختارها و مجموعه‌ای از داده‌ها که ویژگی‌ها و رفتارهای مختلف سه‌بعدی را توصیف می‌کنند. این اشیا شامل رندرپاس‌ها (Render Passes)، پایپ‌لاین‌ها (Pipelines)، Tessellation، بافرها (Buffers)، تصاویر (Images) و سایر منابع و ویژگی‌های گرافیکی هستند. لازم به توضیح است که در Vulkan، برنامه‌نویسان مسئولیت مدیریت حافظه و منابع گرافیکی را بر عهده دارند. این فرآیند شامل تخصیص حافظه، انتقال داده‌ها بین حافظه اصلی، پردازنده و رسانه‌های ذخیره‌سازی، مدیریت بافرها، تصاویر و سایر منابع مورد نیاز است.

Vulkan چه کتاب‌خانه‌هایی در اختیار برنامه‌نویسان قرار می‌دهد؟

چارچوب Vulkan یکسری کتابخانه‌ سبک، اما قدرتمند برای انجام کارهای گرافیکی ارائه می‌کند. اولین مورد GLFW است. یک کتابخانه متن باز و ساده است که برای ایجاد پنجره و مدیریت ورودی در برنامه‌های گرافیکی استفاده می‌شود. GLFW امکاناتی برای مدیریت پنجره‌ها، ورودی کاربر، مانیتورها و سازماندهی رویدادها را فراهم می‌کند. SDL نیز برای مدیریت پنجره، ورودی و رسانه‌ها در برنامه‌های گرافیکی و بازی‌سازی استفاده می‌شود. SDL پشتیبانی گسترده‌ای از پلتفرم‌ها و ویژگی‌های گرافیکی ارائه می‌دهد. Vulkan-Hpp یکی دیگر از کتابخانه‌ها است که در اصل یک رابط برنامه‌نویسی سی‌پلاس‌پلاس برای Vulkan است که پیچیدگی‌های زبان C را کاهش می‌دهد و امکانات بیشتری را برای توسعه‌دهندگان این زبان فراهم می‌کند.

Vulkan Validation Layers یک ابزار تست و اعتبارسنجی است که به برنامه‌نویسان کمک می‌کند تا خطاهای مربوط به استفاده اشتباه از Vulkan را پیدا و رفع کنند. این ابزار اطمینان می‌دهد که برنامه‌نویسان از API به درستی استفاده کرده و مشکلی در عملکرد گرافیکی وجود ندارد. RenderDoc یک ابزار رفع اشکال (debugging) قدرتمند برای نوشتن، تست و اشکال‌زدایی برنامه‌های گرافیکی است. با استفاده از RenderDoc، برنامه‌نویسان می‌توانند جزئیات عملکردی و رفتار گرافیکی را در طول اجرا بررسی کنند و مشکلات را تشخیص دهند. این فهرست تنها چند نمونه از کتابخانه‌هایی است که Vulkan ارائه می‌دهد.

Vulkan چگونه کار می‌کند؟

همان‌گونه که اشاره کردیم Vulkan یک رابط برنامه‌نویسی گرافیکی است که به برنامه‌نویسان اجازه می‌دهد تا به صورت مستقیم با سخت‌افزار گرافیکی ارتباط برقرار کنند و کنترل دقیقی بر روی آن داشته باشند. فرایند کار Vulkan به صورت زیر است:

ایجاد نمونه‌ی ساختارها و اشیا مورد نیاز: در ابتدا، برنامه‌نویسان نمونه‌هایی از ساختارها و اشیا مختلف Vulkan را می‌سازند. این اشیا شامل تنظیمات پنجره، ویژگی‌های دستگاه گرافیکی، رندرپاس‌ها، پایپ‌لاین‌ها و سایر منابع و ویژگی‌های گرافیکی است که برای اجرای صحیح عملیات گرافیکی نیاز است.

اتصال به دستگاه گرافیکی: برنامه‌نویسان ارتباط بین برنامه و دستگاه گرافیکی را برقرار می‌کنند. این فرآیند شامل انتخاب دستگاه گرافیکی، ایجاد ارتباط با آن و تنظیمات مربوط به آن است.

تنظیم و ساخت پایپ‌لاین (Pipeline): پایپ‌لاین در Vulkan مسئول اجرای عملیات‌های گرافیکی است. برنامه‌نویسان پایپ‌لاین را بر مبنای مراحل مختلفی مانند ورودی‌های گرافیکی، مراحل رندرینگ، محاسبات و خروجی‌های گرافیکی تنظیم می‌کنند.

تنظیم و ارسال داده‌ها: برنامه‌نویسان داده‌های مورد نیاز برای اجرای عملیات گرافیکی را در بافرها قرار می‌دهند و آن‌ها را به سمت واحد پردازشی گرافیکی ارسال می‌کنند. این داده‌ها می‌توانند شامل اطلاعات موقعیت اشیا در فضای سه‌بعدی، رنگ‌ها، تکسچرها و سایر ویژگی‌های گرافیکی باشند.

اجرای عملیات گرافیکی: در این مرحله، برنامه‌نویسان دستورالعمل‌های مربوط به عملیات گرافیکی را اجرا می‌کنند که شامل رندرینگ سه‌بعدی، محاسبات موازی، سایه‌زنی، ترسیم خطوط و سایر عملیات‌های گرافیکی است. برای هر دستور گرافیکی، برنامه‌نویسان مشخص می‌کنند که آن دستور چگونه در پایپ‌لاین اجرا شود و به کدام منابع گرافیکی دسترسی داشته باشد.

نمایش نتیجه: پس از اجرای عملیات گرافیکی، نتیجه در پنجره‌ نمایش (یا سایر وسایل خروجی) قابل مشاهده است. برنامه‌نویسان می‌توانند داده‌های تصویری را از بافرها و تصاویر دریافت کنند و آن‌ها را بر روی صفحه‌نمایش یا دیگر رابط‌های خروجی نمایش دهند. اجرای عملیات گرافیکی در Vulkan بسیار بهینه و قابل تنظیم است و این امکان را به برنامه‌نویسان می‌دهد که کنترل دقیقی بر روی سخت‌افزار گرافیکی داشته باشند و بهینه‌سازی‌های خاص خود را اعمال کنند. این قابلیت‌ها باعث شده است که Vulkan مورد توجه برنامه‌نویسان حرفه‌ای و توسعه دهندگان بازی‌ها و برنامه‌های گرافیکی با کارایی بالا قرار بگیرد.

پیش‌نیازهای استفاده از Vulkan چیست؟

برای آن‌که بتوانید از Vulkan استفاده کنید به یکسری پیش‌نیازها نیاز دارد تا بتوانید به طور کامل از این رابط برنامه‌نویسی گرافیکی بهره‌برداری کنید. اولین مورد سیستم عامل است. Vulkan روی اکثر سیستم‌عامل‌ها قابل استفاده است، از جمله ویندوز، لینوکس و اندروید. مورد بعدی درایور گرافیکی است. برای استفاده از قابلیت‌های Vulkan، باید درایور گرافیکی به‌روزی داشته باشید که از این رابط برنامه‌نویسی پشتیبانی کند. برخی از کارت‌های گرافیک معروفی که از Vulkan پشتیبانی می‌کنند شامل NVIDIA GeForce 600 series به بعد، AMD Radeon HD 7000 series به بعد و Intel HD Graphics 4000 به بعد هستند.

برای استفاده از Vulkan، باید از یک زبان برنامه‌نویسی که از آن پشتیبانی می‌کند استفاده کنید. Vulkan از زبان‌هایی مانند C و C++ پشتیبانی می‌کند. بنابراین، باید مهارت برنامه‌نویسی در یکی از این زبان‌ها باشید. برای توسعه برنامه‌های Vulkan، باید کیت توسعه برنامه‌نویسی آن‌را (SDK Vulkan) روی سیستم خود نصب کنید.

مثال عملی از نحوه استفاده از Vulkan 

اکنون اجازه دهید به یک مثال ساده در ارتباط با نحوه استفاده از این ابزار اشاره‌ای داشته باشیم. قطعه کد زیر یک پنجره ساده را ایجاد کرده و تصویر سیاه رنگی را در آن نشان می‌دهد.

#include <iostream>

#include <vulkan/vulkan.h>

int main() {

    VkInstance instance;

    VkPhysicalDevice physicalDevice;

    VkDevice device;

    VkInstanceCreateInfo instanceCreateInfo = {}; // تنظیمات اولیه نشانیگر گرافیکی

    // پر کردن تنظیمات instanceCreateInfo

    VkResult result = vkCreateInstance(&instanceCreateInfo, nullptr, &instance);

    // بررسی خطا و ادامه اجرا در صورت موفقیت

    uint32_t deviceCount = 0;

    vkEnumeratePhysicalDevices(instance, &deviceCount, nullptr);

    // بررسی خطا و ادامه اجرا در صورت موفقیت

    std::vector<VkPhysicalDevice> physicalDevices(deviceCount);

    vkEnumeratePhysicalDevices(instance, &deviceCount, physicalDevices.data());

    physicalDevice = physicalDevices[0];

    VkDeviceCreateInfo deviceCreateInfo = {}; // تنظیمات اولیه دستگاه گرافیکی

    // پر کردن تنظیمات deviceCreateInfo

    result = vkCreateDevice(physicalDevice, &deviceCreateInfo, nullptr, &device);

    // بررسی خطا و ادامه اجرا در صورت موفقیت

    // ایجاد صف و رندر پاس

    VkQueue graphicsQueue;

    VkCommandPool commandPool;

    VkCommandBuffer commandBuffer;

    vkGetDeviceQueue(device, graphicsQueueFamilyIndex, 0, &graphicsQueue);

    VkCommandPoolCreateInfo commandPoolCreateInfo = {}; // تنظیمات اولیه پول دستورات

    // پر کردن تنظیمات commandPoolCreateInfo

    result = vkCreateCommandPool(device, &commandPoolCreateInfo, nullptr, &commandPool);

    // بررسی خطا و ادامه اجرا در صورت موفقیت

    VkCommandBufferAllocateInfo commandBufferAllocateInfo = {}; // تنظیمات اولیه تخصیص دستورات

    // پر کردن تنظیمات commandBufferAllocateInfo

    result = vkAllocateCommandBuffers(device, &commandBufferAllocateInfo, &commandBuffer);

    // بررسی خطا و ادامه اجرا در صورت موفقیت

    // ایجاد پنجره

    VkSurfaceKHR surface;

    VkSurfaceKHRCreateInfo surfaceCreateInfo = {}; // تنظیمات اولیه پنجره

    // پر کردن تنظیمات surfaceCreateInfo

    result = vkCreateSurfaceKHR(instance, &surfaceCreateInfo, nullptr, &surface);

    // بررسی خطا و ادامه اجرا در صورت موفقیت

    // ایجاد تعامل با پنجره

    VkSwapchainKHR swapchain;

    VkSwapchainCreateInfoKHR swapchainCreateInfo = {}; // تنظیمات اولیه تعامل با پنجره

    // پر کردن تنظیمات swapchainCreateInfo

    result = vkCreateSwapchainKHR(device, &swapchainCreateInfo, nullptr, &swapchain);

    // بررسی خطا و ادامه اجرا در صورت موفقیت

    // نمایش تصویر سیاه رنگ

    while (true) {

    }

    return 0;

}

قطعه کد بالا یک مثال مفهومی ساده است که نحوه استفاده از Vulkan را نشان می‌دهد. برای استفاده کامل از قابلیت‌های Vulkanنیاز به مطالعه و درک کتابخانه‌ها، توابع و مفاهیم پیچیده‌تری دارید.

بهینه‌سازی‌های چندنخی و تسلیشن در Vulkan

بهینه‌سازی‌های چندنخی و تسلیشن  دو قابلیت مهم در Vulkan هستند که به برنامه‌نویسان امکان می‌دهند عملکرد و کارایی برنامه‌های گرافیکی خود را بهبود بخشند.

• بهینه‌سازی‌های چندنخی (Multithreading Optimization): بهینه‌سازی‌های چندنخی در Vulkan به برنامه‌نویسان امکان می‌دهد تا به صورت همزمان و موازی، بخش‌های مختلفی از کد گرافیکی را اجرا کنند. به بیان دقیق‌تر امکان استفاده بهینه از منابع سیستمی و پردازش همزمان چند وظیفه را فراهم می‌کند. با استفاده از چند نخ، برنامه‌ها می‌توانند پردازش‌های محاسباتی گرافیکی را به صورت موازی انجام داده و بهینه‌سازی کارایی و عملکرد خود را بهبود بخشند. برای استفاده از بهینه‌سازی‌های چندنخی در Vulkan، شما باید نخ‌ها را به صورت دستی ایجاد کنید و آن‌ها را به منابع گرافیکی مورد نظر متصل کنید. سپس با استفاده از مکانیزم‌های موجود در Vulkan مانند Semaphore و Fence، هماهنگی بین نخ‌ها را انجام دهید. این به شما امکان می‌دهد کدهای گرافیکی را به صورت موازی اجرا کنید و بهره‌وری بالا را در پردازش گرافیکی داشته باشید.
• تسلیشن (Tessellation): تسلیشن در Vulkan به برنامه‌نویسان این قابلیت را می‌دهد تا سطوح سه بعدی پیچیده‌تری را با استفاده از مثلث‌های ساده‌تر توصیف کنند. در واقع، با استفاده از تسلیشن می‌توانید سطوح دقیق‌تر و با جزئیات بیشتری را نمایش دهید.

تسلیشن در Vulkan با استفاده از مسیرها و عملگرهای هندسی مختلف انجام می‌شود. شما می‌توانید توپولوژی و اشکال مثلث‌ها را تعیین کنید و از اپراتورهایی مانند tessellation factor برای تنظیم جزئیات سطح استفاده کنید. با استفاده از تسلیشن می‌توانید سطوح پیچیده‌تری را با جزئیات بیشتری نمایش دهید و از منابع سخت‌افزاری به بهترین شکل ممکن استفاده کنید.

در کل، بهینه‌سازی‌های چندنخی و تسلیشن در Vulkan به برنامه‌نویسان امکان می‌دهد تا کارایی و عملکرد برنامه‌های گرافیکی خود را بهبود بخشند. با استفاده از بهینه‌سازی‌های چندنخی، می‌توانید کدهای گرافیکی را به صورت موازی اجرا کنید و از منابع سیستمی به بهترین شکل ممکن استفاده کنید. همچنین، با استفاده از تسلیشن می‌توانید سطوح پیچیده‌تری را با جزئیات بیشتری نمایش دهید.

Vulkan ‌چه رقبایی دارد؟

در حوزه گرافیک رایانه‌ای و رابط‌های برنامه‌نویسی گرافیکی سبک وزن، Vulkan دو رقیب اصلی دارد:

• DirectX 12: یک رابط برنامه‌نویسی گرافیکی سطح بالای ارائه شده توسط مایکروسافت برای سیستم‌عامل ویندوز است. DirectX 12 به عنوان رقیب مستقیم Vulkan در صنعت بازی‌سازی و برنامه‌های گرافیکی استفاده می‌شود و قابلیت‌های مشابهی با Vulkan دارد.
• Metal : یک رابط برنامه‌نویسی گرافیکی سطح پایین است که برای سیستم‌عامل‌های iOS و macOS توسعه داده شده است. Metal بیشتر در دستگاه‌های آیفون و آی‌پاد استفاده می‌شود و با Vulkan در برخی از قابلیت‌ها و مفاهیم مشابه است.

تفاوت‌های اصلی میان این رقبا در معماری، سازگاری با سیستم‌عامل‌ها، ابزارها و منابع توسعه‌دهندگان و نیازهای برنامه‌های خاص است. انتخاب بین این رقبا بسته به نیازها و پلتفرم هدف برنامه‌نویسی انجام می‌شود. همچنین، نباید از Cuda و OpenGl نیز غافل شد که قابلیت‌های کاربردی خوبی در اختیار برنامه‌نویسان قرار می‌دهد.