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Vulkan Tutorial (13) - Draw a triangle - Graphics Pipeline Basic - Shader modules

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-Khronos Vulkan Tutorial

이전 API들과는 다르게 Vulkan의 셰이더 코드는 GLSL이나 HLSL같이 사람이 읽을 수 있는 구문이 아닌 바이트 코드 형식으로 지정해야 합니다. 이 바이트 코드 형식은 SPIR-V라고 부르며 Vulkan과 OpenCL(둘 다 Khronos의 API들)과 함께 사용하도록 설계되었습니다. 그래픽과 컴퓨트 셰이더를 작성할 수 있는 형식이지만, 이 튜토리얼에서는 Vulkan의 그래픽스 파이프라인에서 사용하는 셰이더에 중점을 두겠습니다.

바이트 코드 형식을 사용할 때 장점은 GPU 공급 업체가 셰이더 코드를 네이티브 코드로 바꾸기 위해 작성된 컴파일러가 덜 복잡하다는 것입니다. 과거 GLSL 문법과 같이 사람이 읽을 수 있는 구문을 사용하여, 몇 GPU 공급 업체들은 표준을 꽤 유연하게 해석했습니다. 공급 업체들 중 하나의 GPU를 사용하여 중요하지 않은 셰이더를 작성하는 경우, 구문 오류로 인해 다른 공급 업체의 드라이버가 코드를 거부하거나 컴파일러 버그로 인해 셰이더가 다르게 실행될 수 있습니다. SPIR-V 같은 간단한 바이트 코드 형식을 사용하면 이러한 문제를 피할 수 있습니다.

그러나 우리가 바이트 코드를 일일히 작성할 필요는 없습니다. Khronos는 GLSL을 SPIR-V로 컴파일하는 공급업체에 독릭된 자체적인 컴파일러를 출시하였습니다. 이 컴파일러는 셰이더 코드가 완전히 표준을 지키고, 프로그램과 함께 제공될 수 있는 하나의 SPIR-V 바이너리를 생산하도록 설계되었습니다. 이 컴파일러를 라이브러리로 포함하여 런타임 상에서 SPIR-V를 생성하도록 할 수 있지만, 이 튜토리얼에서는 그렇게 하지 않을 것입니다. Google의 glslangValidator.exe이나 glslc.exe 같은 컴파일러를 직접 사용할 수 있습니다. glslc의 장점은 GCC나 Clang과 같이 유명한 컴파일러들과 같은 매개변수 형식을 사용하고, include같은 몇가지 추가 기능을 포함한다는 것입니다. 둘 다 Vulkan SDK에 이미 포함되어 있어서 추가로 다운로드 받을 필요는 없습니다.

GLSL은 C-스타일 구문을 사용하는 셰이더 언어입니다. 여기에 작성된 프로그램은 모든 오브젝트들에 대해 호출되는 main이라는 함수를 가지고 있습니다. 입력에 매개변수를 사용하고 출력으로 반환 값을 사용하는 대신, GLSL은 전역 변수를 사용하여 입력과 출력을 처리합니다. 이 언어에는 내장된 vector나 matrix 요소와 같이 그래픽 프로그래밍을 지원하는 많은 기능들이 포함되어 있습니다. 외적, 행렬-벡터 곱, 반사 벡터와 같은 기능들이 포함되어 있습니다. 벡터 타입은 요소의 양을 나타내는 vec라는 것으로 불립니다. 예를 들어, 3D 위치는 vec3에 저장됩니다. .x와 같이 단일 개체에 접근할 수 있지만, 여러 구성 요소를 통해 새로운 벡터를 만드는 것도 가능합니다. vec3(1.0, 2.0, 3.0).xy의 결과는 vec2입니다. 벡터의 생성자는 백터 객체와 스칼라 값의 조합을 사용할 수 있습니다. vec3(vec2(1.0, 2.0), 3.0)으로 vec3를 생성할 수 있습니다.

이전 챕터에서 언급했듯이, 삼각형을 표시하려면 정점 셰이더와 조각 셰이더를 작성해야 합니다. 다음 두 섹션에서 각각의 GLSL 코드를 다루고, 두 개의 SPIR-V 바이너리를 생성하여 프로그램에 로드하는 방법을 보겠습니다.

정점 셰이더(Vertex shader)

정점 셰이더는 들어온 각 정점들을 처리합니다. 월드 위치, 색상, 법선과 텍스쳐 좌표 같은 속성들을 입력받습니다. 클립 좌표의 최종 위치와 색상이나 텍스쳐 좌표 같은 조각 셰이더에 전달할 속성들을 출력합니다. 이 값은 부드러운 그라디언트를 생성하기 위해 래스터라이저에 의해 보간된 후 조각 셰이더로 전달됩니다.

클립 좌표는 정점 셰이더의 4차원 벡터로, 전체 벡터를 마지막 컴포넌트로 나누어 정규화된 장치 좌표로 변환합니다. 이러한 정규화된 장치 좌표는 프레임버퍼를 다음과 같이 [-1, -1]에서 [1, 1] 좌표계로 매핑하는 동종 좌표계입니다.

normalized_device_coordinates.svg

이전에 컴퓨터 그래픽스를 건드려본 적이 있다면 친숙해야 합니다. OpenGL을 써봤다면 Y 좌표의 부호가 뒤집힌 것을 알아차릴 것입니다. 이제 Z 좌표는 0에서 1까지, Direct3D와 동일한 범위를 사용합니다.

첫번째 삼각형은 아무 변환도 적용하지 않고, 세 정점의 위치를 정규화된 장치 좌표로 직접 지정하여 다음과 같은 모습으로 만들 것입니다:

triangle_coordinates.svg

우리는 정점 셰이더에서 나온 클립 좌표의 마지막 요소를 1로 세팅하여 정규화된 장치 좌표를 직접 출력할 수 있습니다. 이렇게 하면 클립 좌표를 정규화된 장치 좌표로 변환하는 나눗셈은 아무 것도 바꾸지 않을 것입니다.

일반적으로 이러한 좌표들은 정점 버퍼에 저장되지만, Vulkan에서 정점 버퍼를 만들고 데이터를 채우는 것은 간단하지 않습니다. 그러므로 삼각형이 화면에 나타나는 것을 보고 만족할 때까지 그 작업을 미룰 것입니다. 그 동안에는 비정석적인 작업을 수행할 것입니다: 정점 셰이더에 좌표를 직접 포함하는 것입니다. 코드는 다음과 같습니다.

#version 450

vec2 positions[3] = vec2[](
    vec2(0.0, -0.5),
    vec2(0.5, 0.5),
    vec2(-0.5, 0.5)
);

void main() {
    gl_Position = vec4(positions[gl_VertexIndex], 0.0, 1.0);
}

main 함수는 모든 버텍스에 의해 호출됩니다. gl_VertexIndex 변수는 현재 정점의 인덱스를 포함합니다. 원래라면 정점 버퍼에 대한 인덱스이지만, 우리의 경우는 하드코딩된 배경에 대한 인덱스가 되겠죠. 각 정점의 위치는 상수 배열에서 접근 가능하고, 더미로 된 z와 w 요소를 결합하여 클립 좌표의 위치를 만듭니다. 내장된 변수인 gl_Position는 출력값으로 사용됩니다.

조각 셰이더(Fragment shader)

정점 셰이더에 의해 형성되는 삼각형은 화면 영역을 조각으로 채웁니다. 조각 셰이더는 이러한 조각들에게서 호출되어 프레임버퍼의 색상과 깊이를 생성합니다. 삼각형 전체를 빨간색으로 출력하는 간단한 조각 셰이더는 다음과 같습니다:

#version 450

layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
}

main 함수는 정점 셰이더에서와 마찬가지로, 모든 조각들에 의해 불려집니다. GLSL의 색상은 [0, 1] 범위의 R, G, B와 알파채널을 가지고 있는 4차원 벡터입니다. 정점 셰이더의 gl_Position과 다르게 현재 조각의 색상을 출력하는 내장 변수가 없습니다. 각 프레임 버퍼로 출력하고자 하는 특정 변수에 layout(location = 0) 프레임 버퍼의 인덱스를 지정하는 수정자를 기입해야 합니다. 빨간색은 프레임 버퍼에서 인덱스가 0인 outColor 변수에 기록됩니다.

정점별 색상

삼각형 전체를 빨갛게 만드는 것은 그다지 흥미롭지 않고 다음과 같이 보이는 것이 더 멋있어 보이지 않나요?

triangle_coordinates_colors.png

이렇게 만드려면 두 셰이더 모두 몇 가지 변경이 필요합니다. 먼저 세 정점 각각에 고유한 색상을 지정해야 합니다. 정점 셰이더는 위치와 마찬가지로 색상에 대한 배열을 가지고 있어야 합니다:

vec3 colors[3] = vec3[](
    vec3(1.0, 0.0, 0.0),
    vec3(0.0, 1.0, 0.0),
    vec3(0.0, 0.0, 1.0)
);

이제 이러한 정점별 색상을 조각 셰이더로 전달하여 보간된 값을 프레임 버퍼에 출력할 수 있습니다. 버텍스 셰이더에 색상 출력을 추가해주고 main 함수에 이렇게 작성해줍시다:

layout(location = 0) out vec3 fragColor;

void main() {
    gl_Position = vec4(positions[gl_VertexIndex], 0.0, 1.0);
    fragColor = colors[gl_VertexIndex];
}

다음은 조각 셰이더에 일치하는 입력을 추가해주어야 합니다.

layout(location = 0) in vec3 fragColor;

void main() {
    outColor = vec4(fragColor, 1.0);
}

입력 변수는 반드시 같은 이름을 사용할 필요는 없습니다. location에 지정된 인덱스를 사용하여 연결됩니다. main 함수는 알파 값과 함께 색상이 출력되도록 수정되었습니다. 위의 이미지에서 보이듯이, fragColor의 값은 세 정점 사이의 조각들에 따라 자동으로 보간되어 부드럽게 보여집니다.

셰이더 컴파일

프로젝트 루트 디렉토리에 shaders 디렉토리를 만들고 shader.vert 정점 셰이더 파일과 shader.frag 조각 셰이더 파일을 저장합니다. GLSL 셰이더는 공식 확장자를 가지고 있지는 않지만, 보통 두 셰이더를 구분할 때 사용합니다.

shader.vert의 내용은 이렇습니다:

#version 450

layout(location = 0) out vec3 fragColor;

vec2 positions[3] = vec2[](
    vec2(0.0, -0.5),
    vec2(0.5, 0.5),
    vec2(-0.5, 0.5)
);

vec3 colors[3] = vec3[](
    vec3(1.0, 0.0, 0.0),
    vec3(0.0, 1.0, 0.0),
    vec3(0.0, 0.0, 1.0)
);

void main() {
    gl_Position = vec4(positions[gl_VertexIndex], 0.0, 1.0);
    fragColor = colors[gl_VertexIndex];
}

shader.frag의 내용은 이렇습니다:

#version 450

layout(location = 0) in vec3 fragColor;

layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(fragColor, 1.0);
}

이제 glslc 프로그램을 이용하여 SPIR-V 바이트 코드로 컴파일할 것입니다.

Windows

compile.bat을 만들고 아래와 같이 작성하세요:

C:/VulkanSDK/x.x.x.x/Bin32/glslc.exe shader.vert -o vert.spv
C:/VulkanSDK/x.x.x.x/Bin32/glslc.exe shader.frag -o frag.spv
pause

glslc.exe의 경로를 당신이 Vulkan SDK를 설치한 경로로 바꾸십시오. 파일을 두번 클릭하여 실행합니다.

Linux

compile.sh를 만들고 아래와 같이 작성하세요:

/home/user/VulkanSDK/x.x.x.x/x86_64/bin/glslc shader.vert -o vert.spv
/home/user/VulkanSDK/x.x.x.x/x86_64/bin/glslc shader.frag -o frag.spv

glslc.exe의 경로를 당신이 Vulkan SDK를 설치한 경로로 바꾸십시오. 스크립트를 실행할 수 있도록 chmod +x compile.sh 권한을 줍니다. 그리고 실행하세요.

플랫폼별 지침 끝

이 두 명령어는 컴파일러에게 GLSL 소스 파일을 읽고 -o (출력) 플래그를 이용하여 SPIR-V 바이트 코드를 출력하도록 지시합니다.

셰이더에 구문 오류가 있는 경우, 컴파일러는 예상대로 줄 번호와 문제를 알려줄 것입니다. 세미콜론을 빠뜨리고 컴파일 스크립트를 다시 실행해보세요. 또한 컴파일러가 지원하는 플래그의 종류를 확인하려면 인수 없이 컴파일러를 실행해보십시오. 예를 들어, 바이트 코드를 사람이 읽을 수 있는 형식으로 출력할 수 있으므로 셰이더가 정확히 수행하는 작업과 이 단계에서 적용된 최적화에 대해 알 수 있습니다.

명령줄에서 셰이더를 컴파일하는 것은 가장 간단한 옵션 중 하나이며 이 튜토리얼에서 사용한 방법입니다. 당신의 코드에서 직접 셰이더를 컴파일하는 것도 가능합니다. Vulkan SDK에는 프로그램 내에서 GLSL 코드를 SPIR-V로 컴파일하는 라이브러리인 libshaderc가 포함되어 있습니다.

셰이더 불러오기

이제 SPIR-V 셰이더를 생성하는 방법을 배웠으므로, 프로그램에 로드한 후 어떠한 시점에 그래픽 파이프라인에 연결해야 할 것입니다. 먼저 바이너리 데이터를 파일에서 읽어오는 간단한 헬퍼 함수를 작성합니다.

#include <fstream>

...

static std::vector<char> readFile(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename, std::ios::ate | std::ios::binary);

    if (!file.is_open()) {
        throw std::runtime_error("failed to open file!");
    }
}

readFile 함수는 지정된 파일에서 모든 바이트를 읽고 std::vector 바이트 배열로 반환합니다. 우리는 파일을 열 때, 두개의 플래그로 시작합니다.

  • ate: 파일 끝에서 읽기 시작
  • binary: 파일을 바이너리 파일로 읽기 (텍스트 변형을 방지함)

“파일 끝에서 읽기 시작”의 장점은 읽기 위치를 사용하여 파일의 크기를 결정하고 버퍼에 할당할 수 있다는 것입니다:

size_t fileSize = (size_t) file.tellg();
std::vector<char> buffer(fileSize);

그 후, 우리는 파일의 시작 부분으로 돌아가서 모든 바이트를 한 번에 읽을 수 있습니다:

file.seekg(0);
file.read(buffer.data(), fileSize);

마지막으로 파일을 닫고 바이트를 반환합니다:

file.close();

return buffer;

이제 createGraphicsPipeline에서 이 함수를 호출하여 두 개의 셰이더를 불러올 것입니다:

void createGraphicsPipeline() {
    auto vertShaderCode = readFile("shaders/vert.spv");
    auto fragShaderCode = readFile("shaders/frag.spv");
}

버퍼 크기를 print하고 실제 파일 크기와 일치하는지 비교하여 셰이더가 올바르게 로드되었는지 확인합니다. 참고로 바이너리 코드이기 때문에 null로 종료될 필요는 없습니다. 나중에 정확한 크기에 대해 명시할 것입니다.

셰이더 모듈 만들기

코드를 파이프라인에 전달하기 전에, VkShaderModule로 래핑해야 합니다. createShaderModule 헬퍼 함수를 만듭시다.

VkShaderModule createShaderModule(const std::vector<char>& code) {

}

이 함수는 바이트 코드를 매개변수로 받아서 VkShaderModule을 생성합니다.

셰이더 모듈을 만드는 것은 간단합니다. 바이트 코드와 그 길이가 있는 버퍼를 가리키는 포인터만 있으면 됩니다. 이 정보는 VkShaderModuleCreateInfo 구조체에 지정됩니다. 한가지 문제는 바이트 코드의 크기가 지정되지만, 포인터가 char가 아닌 uint32_t라는 것입니다. 따라서 아래와 같이 reinterpret_cst를 통해 포인터를 캐스팅해주어야 합니다. 이러한 캐스팅을 할 때, 데이터가 uint32_t의 정렬 요구사항을 만족하는지 확인해야 합니다. 운이 좋게도 데이터는 std::vector의 기본 할당자가 최악의 경우에 정렬 요구사항을 만족하는지를 확인하는 위치에 저장됩니다.

VkShaderModuleCreateInfo createInfo{};
createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SHADER_MODULE_CREATE_INFO;
createInfo.codeSize = code.size();
createInfo.pCode = reinterpret_cast<const uint32_t*>(code.data());

VkShaderModule은 vkCreateShaderModule을 호출하여 생성할 수 있습니다:

VkShaderModule shaderModule;
if (vkCreateShaderModule(device, &createInfo, nullptr, &shaderModule) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create shader module!");
}

매개변수는 이전 오브젝트 생성 함수들(logical device, 정보 구조체 생성을 위한 포인터, 사용자 지정 할당자, 핸들 출력 변수)들과 같습니다. 코드가 있는 버퍼는 셰이더 모듈이 생성된 후 즉시 해제할 수 있습니다. 생성된 셰이더 모듈을 반환하는 것을 잊지 마세요:

return shaderModule;

셰이더 모듈은 이전에 정의한 함수로 파일에서 로드한 셰이더 바이트 코드를 감싸는 짧은 래퍼입니다. GPU에서 실행하기 위해 SPIR-V 바이트 코드를 기계어로 컴파일하고 링킹하는 것은 그래픽 파이프라인이 생성될 때 까지 발생하지 않습니다. 즉, 파이프라인 생성이 완료되는 즉시 셰이더 모듈을 다시 파괴할 수 있기 때문에, 클래스 멤버 변수 대신 로컬 변수에서 createGraphicsPipeline 호출할 것입니다:

void createGraphicsPipeline() {
    auto vertShaderCode = readFile("shaders/vert.spv");
    auto fragShaderCode = readFile("shaders/frag.spv");

    VkShaderModule vertShaderModule = createShaderModule(vertShaderCode);
    VkShaderModule fragShaderModule = createShaderModule(fragShaderCode);

cleanup은 함수 끝에 두 번의 vkDestroyShaderModule 호출을 추가합니다. 이 챕터의 나머지 코드들은 모두 이 줄 앞에 삽입됩니다.

...
    vkDestroyShaderModule(device, fragShaderModule, nullptr);
    vkDestroyShaderModule(device, vertShaderModule, nullptr);
}

셰이더 단계 생성

셰이더를 실제로 사용하려면 실제 파이프라인 생성 프로세스의 일부로 VkPipelineShaderStageCreateInfo 구조체를 통해 특정 파이프라인 단계에 할당해야 합니다.

createGraphicsPipeline 함수에서 다시 정점 셰이더의 구조를 채우는 것으로 시작하겠습니다.

VkPipelineShaderStageCreateInfo vertShaderStageInfo{};
vertShaderStageInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_SHADER_STAGE_CREATE_INFO;
vertShaderStageInfo.stage = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;

먼저 sType는 Vulkan에 셰이더가 사용될 파이프라인 단계를 알려줍니다. 이전 챕터에서 설명한 프로그래밍 가능한 단계에 해당하는 열거형 값이 있습니다.

vertShaderStageInfo.module = vertShaderModule;
vertShaderStageInfo.pName = "main";

다음 두 멤버는 코드가 포함된 셰이더 모듈과 진입점(entrypoint) 함수를 지정합니다. 즉, 여러 조각 셰이더를 조합하여 하나의 셰이더를 만들고, 서로 다른 진입점을 사용하여 동작을 구별할 수 있다는 뜻입니다. 그러나 우리는 표준을 준수하여 main을 사용합니다.

선택 가능한 옵션으로 pSpecializationInfo는 여기서 사용하지는 않지만 의논할 가치가 있습니다. 셰이더 상수에 값을 지정할 수 있습니다. 단일 셰이더 모듈로 파이프라인 생성 시 사용되는 상수에 대해 다른 값을 지정하여 사용할 수 있습니다. 컴파일러가 if 같이 값에 의존적인 구문을 제거하는 등의 최적화를 할 수 있기 때문에 렌더 시간에 보다 효율적입니다. 이러한 상수가 없으면 nullptr로 설정하여 자동으로 구조체 초기화가 되도록 할 수 있습니다.

조각 셰이더를 구조에 맞게 수정하는 것은 쉽습니다:

VkPipelineShaderStageCreateInfo fragShaderStageInfo{};
fragShaderStageInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_SHADER_STAGE_CREATE_INFO;
fragShaderStageInfo.stage = VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT;
fragShaderStageInfo.module = fragShaderModule;
fragShaderStageInfo.pName = "main";

실제 파이프라인 생성 단계에서 참조하는데 사용할 두 구조체가 들어있는 배열을 정의하면서 완료합니다

VkPipelineShaderStageCreateInfo shaderStages[] = {vertShaderStageInfo, fragShaderStageInfo};

이것이 파이프라인의 프로그래밍 가능한 단계의 전부입니다. 다음 챕터에서는 고정 기능 단계를 살펴보겠습니다.

C++ code / Vertex shader / Fragment shader