Example: VulkanExamples/p11-depth
シリーズの Post 11(1:サーフェス、 2:三角形、 3:頂点バッファ、 4:プッシュ定数、 5:テクスチャ、 6:コンピュート+SSBO、 7:コンピュート→イメージ、 8:frames in flight、 9:インデックスバッファ、 10:ユニフォームバッファ+MVP)。 これまでに描いたものはすべてペインターズアルゴリズムだった: 描画順が可視性を決めていた。本物の 3D には デプス アタッチメント が必要——ハードウェアが比較するピクセル毎の 深度を保持する第2のレンダーターゲット。
証明するために、デモは近い quad を先に、遠い quad を後に
描く。デプステストがなければ遠い quad が重なり部分を上書き
する——eLess テストでは近い quad のピクセルが生き残る。
仕組み
4つの部品が一致しなければならない——どれかを逃すと静かに デプステストが効かなくなる:
- イメージ。
eD32Sfloat、usage はeDepthStencilAttachment、一度eDepthStencilAttachmentOptimalに遷移(eDepthアスペクト、dst ステージeEarlyFragmentTestsのバリア)。 - レンダリング情報。 動的レンダリングでは、デプス
アタッチメントは
pDepthAttachmentとして渡される2つ目のVkRenderingAttachmentInfo——1.0fにクリア(ファー プレーン;Vulkan の深度範囲は [0,1]、0 = ニア)。 - パイプライン。
VkPipelineDepthStencilStateCreateInfoでdepthTestEnable + depthWriteEnable + eLess——さらにVkPipelineRenderingCreateInfoのsetDepthAttachmentFormat()で、パイプラインがテスト対象のフォーマットを知る。 - シェーダが
gl_Position.zを書く。 深度は頂点シェーダの 出力から来る——ここでは描画毎にプッシュ(z=0.3近い、z=0.7遠い)。
比較演算子チートシート
| op | 通過条件 | 用途 |
|---|---|---|
eLess | new.z < stored.z | clear=1.0 の後の標準 |
eLessOrEqual | <= | 再描画での z-fighting 回避 |
eGreater | new.z > stored.z | 反転深度セットアップ(clear=0) |
ビルド&実行
g++ -std=c++23 -O2 main.cpp -o app -lvulkan -lglfw -lshaderc
./app # windowed
./app --headless out.ppm # offscreen -> PPM
python3 check.py out.ppmチェック
重なり帯 x=[256..384] は両方の quad に属する。青い(遠い)
quad は赤い(近い)quad の後に描かれる——つまりデプス
テストが遠いフラグメントを拒否した場合に限り、重なりは赤い
はず。それをスクリプトが正確にアサートする。
#!/usr/bin/env python3
# SPDX-License-Identifier: CC0-1.0
# check.py — デプスバッファが機能したことを証明。
# NEAR の赤い quad が x=[128..384] で最初に描かれ、FAR の青い
# quad が x=[256..512] で2番目に描かれる。重なり x=[256..384] は
# 赤のままでなければならない——デプステストがなければ後に描か
# れた青が表示される。
import sys
W, H = 640, 480
BG = (13, 13, 20)
def read_ppm(path):
d = open(path, "rb").read()
hdr, data = d.split(b"255\n", 1)
toks = hdr.split()
assert toks[0] == b"P6"
w, h = int(toks[1]), int(toks[2])
assert len(data) == w * h * 3
return w, h, data
def px(d, x, y):
i = (y * W + x) * 3
return tuple(d[i:i + 3])
def main():
w, h, d = read_ppm(sys.argv[1] if len(sys.argv) > 1 else "out.ppm")
assert (w, h) == (W, H)
def is_red(p): return p[0] > 150 and p[1] < 100
def is_blue(p): return p[2] > 150 and p[0] < 100
# 純粋ゾーン
assert is_red(px(d, 160, 240)), "left quad missing (red)"
assert is_blue(px(d, 460, 240)), "right quad missing (blue)"
# デプスアサーション本体:FAR quad が最後に描いた重なりが
# それでも NEAR quad の色を表示
for x in (280, 320, 360):
assert is_red(px(d, x, 240)), \
f"overlap at x={x} shows {px(d, x, 240)} not near-red"
# すべての外側:背景
for x in (60, 580):
assert px(d, x, 240) == BG, f"x={x} not background"
print("OK: near quad wins the overlap although drawn FIRST")
if __name__ == "__main__":
main()$ ./app --headless out.ppm && python3 check.py out.ppm
device: AMD Radeon RX 7800 XT (RADV NAVI32)
wrote out.ppm
OK: near quad wins the overlap although drawn FIRST完全なソース
// SPDX-License-Identifier: CC0-1.0
//
// Post 11: デプステスト。2つの重なり合う quad——NEAR が最初に
// 描かれ、FAR が2番目。デプスアタッチメントがなければ遠い
// quad が誤って近い quad の上を塗る;eD32Sfloat +
// depthStencilState で近い quad が重なりに勝つ。
//
// ./app windowed
// ./app --headless o.ppm 1フレーム -> check.py 用 PPM
//
// Build: g++ -std=c++23 -O2 main.cpp -o app -lvulkan -lglfw -lshaderc
#include "vkmini.hpp"
#include <GLFW/glfw3.h>
struct Vertex {
float pos[2];
};
static const Vertex kQuad[] = {
{{-0.4f, -0.4f}}, {{0.4f, -0.4f}}, {{0.4f, 0.4f}},
{{0.4f, 0.4f}}, {{-0.4f, 0.4f}}, {{-0.4f, -0.4f}},
};
struct Push {
float ofs[2];
float z;
float _pad;
float col[3];
float _pad2;
};
static_assert(sizeof(Push) == 32);
static const char* kVert = R"GLSL(
#version 460
layout(location = 0) in vec2 inPos;
layout(location = 0) out vec3 vColor;
layout(push_constant) uniform Push {
vec2 ofs;
float z;
vec3 col;
} pc;
void main() {
gl_Position = vec4(inPos + pc.ofs, pc.z, 1.0);
vColor = pc.col;
}
)GLSL";
static const char* kFrag = R"GLSL(
#version 460
layout(location = 0) in vec3 vColor;
layout(location = 0) out vec4 outColor;
void main() { outColor = vec4(vColor, 1.0); }
)GLSL";
static vkmini::Vk::Buffer makeVertexBuffer(vkmini::Vk& vk) {
vk::DeviceSize size = sizeof(kQuad);
auto staging = vk.createBuffer(
size, vk::BufferUsageFlagBits::eTransferSrc,
vk::MemoryPropertyFlagBits::eHostVisible |
vk::MemoryPropertyFlagBits::eHostCoherent,
true);
memcpy(staging.mapped, kQuad, size);
auto buf = vk.createBuffer(
size,
vk::BufferUsageFlagBits::eVertexBuffer |
vk::BufferUsageFlagBits::eTransferDst,
vk::MemoryPropertyFlagBits::eDeviceLocal);
vk.oneTime([&](vk::CommandBuffer c) {
vk::BufferCopy r{0, 0, size};
c.copyBuffer(staging.buf.get(), buf.buf.get(), r);
vk::BufferMemoryBarrier b{};
b.setSrcQueueFamilyIndex(VK_QUEUE_FAMILY_IGNORED)
.setDstQueueFamilyIndex(VK_QUEUE_FAMILY_IGNORED)
.setSrcAccessMask(vk::AccessFlagBits::eTransferWrite)
.setDstAccessMask(
vk::AccessFlagBits::eVertexAttributeRead)
.setBuffer(buf.buf.get())
.setOffset(0)
.setSize(size);
c.pipelineBarrier(vk::PipelineStageFlagBits::eTransfer,
vk::PipelineStageFlagBits::eVertexInput,
{}, {}, b, {});
});
return buf;
}
/// デプスアタッチメント = カラーと並んで描かれる2つ目のイメージ。
/// 独自の usage、フォーマット、レイアウト
///(eDepthStencilAttachmentOptimal)と独自のバリアが必要——
/// さらにパイプラインのデプスステート。
struct Depth {
vkmini::Vk::Image img;
};
static Depth makeDepth(vkmini::Vk& vk, uint32_t w, uint32_t h) {
Depth o;
o.img = vk.createImage(
w, h, vk::Format::eD32Sfloat,
vk::ImageUsageFlagBits::eDepthStencilAttachment);
return o;
}
struct Pipe {
vk::UniquePipelineLayout layout;
vk::UniquePipeline pipeline;
};
/// パイプラインに depthStencil ステートを追加——レンダーターゲット
/// にデプスアタッチメントを含めるなら必須。
static Pipe makePipeline(vkmini::Vk& vk, vk::Format colorFmt,
vk::Format depthFmt) {
Pipe o;
auto vs = vk.shader(kVert, shaderc_vertex_shader, "q.vert");
auto fs = vk.shader(kFrag, shaderc_fragment_shader, "q.frag");
vk::PipelineShaderStageCreateInfo stages[2];
stages[0].setStage(vk::ShaderStageFlagBits::eVertex)
.setModule(vs.get())
.setPName("main");
stages[1].setStage(vk::ShaderStageFlagBits::eFragment)
.setModule(fs.get())
.setPName("main");
vk::VertexInputBindingDescription binding{};
binding.setBinding(0)
.setStride(sizeof(Vertex))
.setInputRate(vk::VertexInputRate::eVertex);
std::array attrs{
vk::VertexInputAttributeDescription{}
.setLocation(0)
.setBinding(0)
.setFormat(vk::Format::eR32G32Sfloat)
.setOffset(0),
};
vk::PipelineVertexInputStateCreateInfo vin{};
vin.setVertexBindingDescriptions(binding)
.setVertexAttributeDescriptions(attrs);
vk::PipelineInputAssemblyStateCreateInfo ia{};
ia.setTopology(vk::PrimitiveTopology::eTriangleList);
vk::PipelineViewportStateCreateInfo vp{};
vp.setViewportCount(1).setScissorCount(1);
std::array dynStates{vk::DynamicState::eViewport,
vk::DynamicState::eScissor};
vk::PipelineDynamicStateCreateInfo dyn{};
dyn.setDynamicStates(dynStates);
vk::PipelineRasterizationStateCreateInfo rs{};
rs.setPolygonMode(vk::PolygonMode::eFill)
.setCullMode(vk::CullModeFlagBits::eNone)
.setFrontFace(vk::FrontFace::eCounterClockwise)
.setLineWidth(1.0f);
vk::PipelineMultisampleStateCreateInfo ms{};
ms.setRasterizationSamples(vk::SampleCountFlagBits::e1);
// 新しいステート本体:深度をテストして書き込む、最も近いもの
// が勝つ(小さい z)
vk::PipelineDepthStencilStateCreateInfo ds{};
ds.setDepthTestEnable(true)
.setDepthWriteEnable(true)
.setDepthCompareOp(vk::CompareOp::eLess);
vk::PipelineColorBlendAttachmentState cb{};
cb.setColorWriteMask(
vk::ColorComponentFlagBits::eR | vk::ColorComponentFlagBits::eG |
vk::ColorComponentFlagBits::eB | vk::ColorComponentFlagBits::eA);
vk::PipelineColorBlendStateCreateInfo blend{};
blend.setAttachments(cb);
vk::PushConstantRange pc{};
pc.setStageFlags(vk::ShaderStageFlagBits::eVertex)
.setOffset(0)
.setSize(sizeof(Push));
vk::PipelineLayoutCreateInfo li{};
li.setPushConstantRanges(pc);
o.layout = vk.device->createPipelineLayoutUnique(li);
vk::PipelineRenderingCreateInfo rendering{};
rendering.setColorAttachmentFormats(colorFmt)
.setDepthAttachmentFormat(depthFmt); // 深度フォーマット宣言
vk::GraphicsPipelineCreateInfo gi{};
gi.setStages(stages)
.setPVertexInputState(&vin)
.setPInputAssemblyState(&ia)
.setPViewportState(&vp)
.setPDynamicState(&dyn)
.setPRasterizationState(&rs)
.setPMultisampleState(&ms)
.setPDepthStencilState(&ds) // 接続
.setPColorBlendState(&blend)
.setLayout(o.layout.get())
.setPNext(&rendering);
auto res = vk.device->createGraphicsPipelineUnique({}, gi);
if (res.result != vk::Result::eSuccess)
throw std::runtime_error("pipeline failed");
o.pipeline = std::move(res.value);
return o;
}
/// シーン全体を記録:デプスバリア + デプスアタッチメント付き
/// レンダリング + 両方の quad(意図的に NEAR 先、FAR 後)。
static void record(vk::CommandBuffer c, vk::ImageView colorView,
vk::ImageView depthView, vk::Extent2D extent,
const Pipe& p, vk::Buffer vbuf) {
vk::RenderingAttachmentInfo color{};
color.setImageView(colorView)
.setImageLayout(vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal)
.setLoadOp(vk::AttachmentLoadOp::eClear)
.setStoreOp(vk::AttachmentStoreOp::eStore)
.setClearValue(vk::ClearValue{
vk::ClearColorValue{std::array{0.05f, 0.05f, 0.08f,
1.f}}});
// デプスアタッチメントがレンダリング情報に参加——独自の
// レイアウト、独自のクリア値(1.0 = ファープレーン)。
vk::RenderingAttachmentInfo depth{};
depth.setImageView(depthView)
.setImageLayout(
vk::ImageLayout::eDepthStencilAttachmentOptimal)
.setLoadOp(vk::AttachmentLoadOp::eClear)
.setStoreOp(vk::AttachmentStoreOp::eDontCare)
.setClearValue(
vk::ClearValue{vk::ClearDepthStencilValue{1.0f, 0}});
vk::RenderingInfo ri{};
ri.setRenderArea({{0, 0}, extent})
.setLayerCount(1)
.setColorAttachments(color)
.setPDepthAttachment(&depth);
c.beginRendering(ri);
c.bindPipeline(vk::PipelineBindPoint::eGraphics, p.pipeline.get());
vk::Viewport vp{0, 0, float(extent.width), float(extent.height),
0.f, 1.f};
c.setViewport(0, vp);
vk::Rect2D sc{{0, 0}, extent};
c.setScissor(0, sc);
vk::DeviceSize off = 0;
c.bindVertexBuffers(0, vbuf, off);
// NEAR quad が最初(z=0.3、赤、左にシフト)
Push near_{{-0.2f, 0.f}, 0.3f, 0.f, {0.9f, 0.15f, 0.15f}, 0.f};
c.pushConstants(p.layout.get(), vk::ShaderStageFlagBits::eVertex,
0, sizeof(Push), &near_);
c.draw(6, 1, 0, 0);
// FAR quad が2番目(z=0.7、青、右にシフト)——デプステスト
// なしでは重なりを塗りつぶす
Push far{{0.2f, 0.f}, 0.7f, 0.f, {0.15f, 0.25f, 0.9f}, 0.f};
c.pushConstants(p.layout.get(), vk::ShaderStageFlagBits::eVertex,
0, sizeof(Push), &far);
c.draw(6, 1, 0, 0);
c.endRendering();
}
static void imgBarrier(vk::CommandBuffer c, vk::Image img,
vk::ImageAspectFlags aspect, vk::ImageLayout ol,
vk::ImageLayout nl, vk::AccessFlags src,
vk::AccessFlags dst, vk::PipelineStageFlags ss,
vk::PipelineStageFlags ds) {
vk::ImageMemoryBarrier b{};
b.setOldLayout(ol)
.setNewLayout(nl)
.setSrcQueueFamilyIndex(VK_QUEUE_FAMILY_IGNORED)
.setDstQueueFamilyIndex(VK_QUEUE_FAMILY_IGNORED)
.setImage(img)
.setSubresourceRange({aspect, 0, 1, 0, 1})
.setSrcAccessMask(src)
.setDstAccessMask(dst);
c.pipelineBarrier(ss, ds, {}, {}, {}, b);
}
int main(int argc, char** argv) {
bool headless = argc > 1 && std::string(argv[1]) == "--headless";
const char* ppmOut = argc > 2 ? argv[2] : "out.ppm";
vkmini::Vk vk;
GLFWwindow* win = nullptr;
vk::UniqueSurfaceKHR surface;
if (!headless) {
glfwInit();
glfwWindowHint(GLFW_CLIENT_API, GLFW_NO_API);
win = glfwCreateWindow(640, 480, "vkmini p11", nullptr, nullptr);
}
std::vector<const char*> instExts;
if (!headless) {
uint32_t n = 0;
const char** e = glfwGetRequiredInstanceExtensions(&n);
instExts.assign(e, e + n);
}
vk.createInstance(instExts);
if (!headless) {
VkSurfaceKHR raw;
glfwCreateWindowSurface(vk.instance.get(), win, nullptr, &raw);
surface = vk::UniqueSurfaceKHR(raw, vk.instance.get());
}
vk.pickPhysicalDevice();
vk.createDevice(headless ? std::vector<const char*>{}
: std::vector<const char*>{
VK_KHR_SWAPCHAIN_EXTENSION_NAME});
auto vbuf = makeVertexBuffer(vk);
auto depth = makeDepth(vk, 640, 480);
// デプスイメージを一度アタッチメントレイアウトに遷移——
// フレーム毎にはアタッチメントの loadOp でクリアされる
vk.oneTime([&](vk::CommandBuffer c) {
imgBarrier(c, depth.img.img.get(),
vk::ImageAspectFlagBits::eDepth,
vk::ImageLayout::eUndefined,
vk::ImageLayout::eDepthStencilAttachmentOptimal,
{},
vk::AccessFlagBits::eDepthStencilAttachmentWrite,
vk::PipelineStageFlagBits::eTopOfPipe,
vk::PipelineStageFlagBits::eEarlyFragmentTests);
});
if (headless) {
vkmini::Headless hl;
hl.init(vk, 640, 480);
Pipe p = makePipeline(vk, vk::Format::eR8G8B8A8Unorm,
vk::Format::eD32Sfloat);
hl.render(vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal,
[&](vk::CommandBuffer c) {
record(c, hl.color.view.get(),
depth.img.view.get(), hl.extent, p,
vbuf.buf.get());
});
hl.savePpm(ppmOut);
printf("wrote %s\n", ppmOut);
return 0;
}
vkmini::Swapchain sc;
sc.create(vk, vk.phys, surface.get(), 640, 480);
Pipe p = makePipeline(vk, sc.format, vk::Format::eD32Sfloat);
auto cmd = vk.device->allocateCommandBuffersUnique(
{vk.pool.get(), vk::CommandBufferLevel::ePrimary, 1});
auto acqSem = vk.device->createSemaphoreUnique({});
auto doneSem = vk.device->createSemaphoreUnique({});
auto fence = vk.device->createFenceUnique({});
for (int f = 0; f < 240 && !glfwWindowShouldClose(win); ++f) {
glfwPollEvents();
vk.device->resetFences(fence.get());
auto acq = vk.device->acquireNextImageKHR(
sc.sc.get(), UINT64_MAX, acqSem.get(), {});
vk::Image img = sc.images[acq.value];
cmd[0]->reset();
cmd[0]->begin(
{vk::CommandBufferUsageFlagBits::eOneTimeSubmit});
imgBarrier(cmd[0].get(), img, vk::ImageAspectFlagBits::eColor,
vk::ImageLayout::eUndefined,
vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal,
vk::AccessFlags{},
vk::AccessFlagBits::eColorAttachmentWrite,
vk::PipelineStageFlagBits::eTopOfPipe,
vk::PipelineStageFlagBits::eColorAttachmentOutput);
record(cmd[0].get(), sc.views[acq.value].get(),
depth.img.view.get(), sc.extent, p, vbuf.buf.get());
imgBarrier(cmd[0].get(), img, vk::ImageAspectFlagBits::eColor,
vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal,
vk::ImageLayout::ePresentSrcKHR,
vk::AccessFlagBits::eColorAttachmentWrite,
vk::AccessFlags{},
vk::PipelineStageFlagBits::eColorAttachmentOutput,
vk::PipelineStageFlagBits::eBottomOfPipe);
cmd[0]->end();
vk::PipelineStageFlags waitStage =
vk::PipelineStageFlagBits::eColorAttachmentOutput;
vk::SubmitInfo si{};
si.setWaitSemaphores(acqSem.get())
.setWaitDstStageMask(waitStage)
.setCommandBuffers(cmd[0].get())
.setSignalSemaphores(doneSem.get());
vk.queue.submit(si, fence.get());
vk::PresentInfoKHR pi{};
pi.setWaitSemaphores(doneSem.get())
.setSwapchains(sc.sc.get())
.setImageIndices(acq.value);
(void)vk.queue.presentKHR(pi);
(void)vk.device->waitForFences(fence.get(), VK_TRUE,
UINT64_MAX);
}
vk.queue.waitIdle();
sc.views.clear();
sc.sc.reset();
surface.reset();
glfwDestroyWindow(win);
glfwTerminate();
return 0;
}All source code in this series is released under CC0 1.0 Universal (CC0-1.0) — public domain dedication, no attribution required.
Next in the series: the window-management detail everyone hits —
swapchain recreation on resize (VK_ERROR_OUT_OF_DATE_KHR).
