Motori nativi e proprietari

Inizia a utilizzare Vulkan su Android

Vulkan è l'API grafica di basso livello principale su Android. Vulkan offre prestazioni ottimali per i giochi che implementano il proprio motore di gioco e renderer.

Per implementare correttamente Vulkan nel motore grafico, devi:

  • Identificare i dispositivi Android da utilizzare con Vulkan
  • Comprendere i compromessi del supporto dei dispositivi Android meno recenti
  • Aggiungere Vulkan alla destinazione di build Android
  • Scegliere un compilatore di shader per creare SPIR-V per Vulkan
  • Determinare la versione dell'API Vulkan disponibile in fase di runtime
  • Scoprire come ottimizzare le operazioni di rendering Vulkan con i profili Vulkan, la spaziatura dei frame e la pre-rotazione
  • Selezionare gli strumenti grafici per il debug e l'analisi del rendimento

Scegliere le specifiche minime dei dispositivi per Vulkan

Vulkan è disponibile su Android a partire da Android 7.0 (livello API 24). Non tutti i dispositivi Android con Android 7.0 o versioni successive supportano Vulkan. Devi determinare quali dispositivi Android compatibili con Vulkan sono supportati dal tuo gioco.

Consigli

Utilizza le seguenti specifiche come requisiti minimi per il supporto di Vulkan:

  • Sul dispositivo è in esecuzione Android 10.0 (livello API 29) o versioni successive
  • Il dispositivo supporta la versione dell'API Vulkan 1.1 o versioni successive
  • Il dispositivo dispone di funzionalità hardware compatibili con il profilo di base Android 2022

Supporto dei dispositivi meno recenti

Se il tuo gioco è progettato per essere eseguito su un'ampia gamma di dispositivi con diversi livelli di funzionalità grafiche, potresti dover supportare dispositivi meno recenti di quelli consigliati in Scegliere le specifiche minime dei dispositivi per Vulkan. Prima di creare il supporto per i dispositivi meno recenti, valuta se Vulkan offre vantaggi per il tuo gioco. I giochi con molte chiamate di disegno e che utilizzano OpenGL ES possono riscontrare un overhead significativo dei driver a causa del costo elevato delle chiamate di disegno in OpenGL ES. Questi giochi possono diventare vincolati alla CPU a causa della durata frame trascorsa nel driver grafico. I giochi possono anche registrare riduzioni significative dell'utilizzo della CPU e dell'alimentazione passando da OpenGL ES a Vulkan. Questo vale soprattutto se il tuo gioco ha scene complesse che non possono utilizzare in modo efficace l'istanza per ridurre le chiamate di disegno. Quando scegli come target i dispositivi meno recenti, includi il supporto del rendering OpenGL ES come fallback, poiché alcuni dispositivi nell'elenco dei dispositivi di destinazione potrebbero avere implementazioni Vulkan che non possono eseguire il tuo gioco in modo affidabile.

Potresti non voler supportare i dispositivi meno recenti compatibili con Vulkan perché mancano di prestazioni e funzionalità o presentano problemi di stabilità.

Rendimento e funzionalità

I dispositivi Android meno recenti compatibili con Vulkan potrebbero non avere il rendimento di rendering o il supporto hardware per le funzionalità necessarie per eseguire il tuo gioco. Questo è particolarmente probabile se il tuo gioco ha una grafica ad alta fedeltà e Vulkan è l'unica API di cui scegli come target Android. Molti dispositivi meno recenti sono limitati alla versione 1.0.3 dell'API Vulkan e spesso mancano le estensioni Vulkan ampiamente utilizzate disponibili su hardware più moderno.

Stabilità

I dispositivi Android meno recenti potrebbero utilizzare driver Vulkan obsoleti. Queste versioni dei driver potrebbero includere bug che possono influire sulla stabilità del tuo gioco. La risoluzione dei bug dei driver può richiedere una quantità significativa di tempo di test e di progettazione.

Aggiungere Vulkan al progetto

Per aggiungere Vulkan al progetto, devi:

  • Includere le intestazioni dell'API Vulkan
  • Compilare il codice dello shader in SPIR-V
  • Chiamare l'API Vulkan in fase di runtime

Includere le intestazioni dell'API Vulkan

Il gioco deve includere i file di intestazione dell'API Vulkan per compilare il codice che utilizza Vulkan. Puoi trovare una copia delle intestazioni Vulkan nell'Android NDK o in pacchetto nelle release dell'SDK Vulkan. Una versione NDK specifica include solo le intestazioni Vulkan disponibili al momento della release dell'NDK. Se utilizzi le intestazioni Vulkan dall'NDK, utilizza la versione NDK 25 o successive, che include i file di intestazione che supportano la versione Vulkan 1.3. L'SDK Vulkan ha la versione più recente delle intestazioni.

Compilare il codice dello shader in SPIR-V

L'API Vulkan prevede che i programmi shader vengano forniti nel formato intermedio binario SPIR-V. Questa convenzione è diversa da OpenGL ES, in cui puoi inviare il codice sorgente scritto in OpenGL Shading Language (GLSL) come stringhe di testo. Utilizza un compilatore di shader per prendere il codice scritto in un linguaggio shader come GLSL o High-level Shader Language (HLSL) e compilarlo in moduli SPIR-V per l'utilizzo con Vulkan.

Il compilatore shaderc può essere utilizzato per compilare i programmi shader scritti in GLSL in SPIR-V. Se il tuo gioco utilizza HLSL, il DirectXShaderCompiler supporta l'output SPIR-V. In genere, compili i programmi shader offline come parte del processo di compilazione degli asset per il tuo gioco e includi i moduli SPIR-V come parte degli asset di runtime.

Chiamare l'API Vulkan in fase di runtime

Per chiamare l'API Vulkan, il gioco deve ottenere puntatori di funzione alle chiamate API Vulkan. Il modo più semplice per farlo è collegarsi alla libreria condivisa libvulkan.so, inclusa nell'Android NDK. Il collegamento alla libreria presenta due inconvenienti: overhead aggiuntivo di invio delle funzioni e limitazioni ai puntatori di funzione dell'API Vulkan che vengono risolti automaticamente.

Quando chiami una funzione dell'API Vulkan, il controllo passa attraverso una tabella di invio gestita da un costrutto chiamato caricatore Vulkan. Android utilizza la propria implementazione del caricatore Vulkan e non il caricatore LunarG. Questo sistema di caricamento fa parte dell'architettura a livelli dell'API Vulkan. Il collegamento alla libreria di sistema in tempo di compilazione comporta un livello di invio aggiuntivo per una determinata chiamata API. Sebbene l'overhead sia ridotto, può essere evidente per i giochi che eseguono un volume elevato di chiamate Vulkan.

In genere, la libreria di sistema risolve solo i puntatori alle funzioni Vulkan considerate parte dell'API principale. Vulkan ha un numero elevato di estensioni, che definiscono funzioni Vulkan aggiuntive, molte delle quali non vengono risolte automaticamente dalla libreria di sistema. Devi risolvere manualmente i puntatori a queste funzioni Vulkan prima di utilizzarli.

Per attenuare questi problemi, risolvi dinamicamente i puntatori a tutte le funzioni Vulkan che intendi utilizzare in fase di runtime. Un modo per farlo è utilizzare una libreria di meta-caricamento open source come volk. Il gioco di esempio AGDKTunnel integra volk a questo scopo. Se utilizzi una libreria di meta-caricamento, non collegarti alla libreria condivisa libvulkan.so negli script di build.

Determinare la versione dell'API Vulkan disponibile

Android supporta le seguenti versioni dell'API Vulkan:

  • 1.0.3
  • 1.1
  • 1.3

Il numero di versione dell'API Vulkan più alto disponibile su un determinato dispositivo è determinato dalla versione di Android e dal supporto dei driver Vulkan.

Versione di Android

Il supporto della piattaforma per una versione dell'API Vulkan dipende da una versione minima di Android (livello API):

  • 1.3: Android 13.0 (livello API 33) e versioni successive
  • 1.1: Android 10.0 (livello API 29) e versioni successive
  • 1.0.3: Android 7.0 (livello API 24) e versioni successive

Supporto dei driver Vulkan

Il supporto della piattaforma Android per una versione dell'API Vulkan non garantisce che la versione dell'API sia supportata dal driver Vulkan del dispositivo. Un dispositivo con Android 13 potrebbe supportare solo la versione 1.1 dell'API Vulkan.

Quando inizializzi Vulkan, non richiedere una versione dell'API superiore a:

Di seguito è riportato un esempio di determinazione della versione dell'API Vulkan più alta supportata:

// Minimum Android API levels for Vulkan 1.3/1.1 version support
static constexpr int kMinimum_vk13_api_level = 33;
static constexpr int kMinimum_vk11_api_level = 29;

uint32_t GetHighestSupportedVulkanVersion(VkPhysicalDevice physical_device) {
  uint32_t instance_api_version = 0;
  vkEnumerateInstanceVersion(&instance_api_version);

  VkPhysicalDeviceProperties device_properties;
  vkGetPhysicalDeviceProperties(physical_device, &device_properties);

  // Instance and device versions don't have to match, use the lowest version
  // number for API support if they don't.
  const uint32_t driver_api_version =
      (instance_api_version < device_properties.apiVersion) ?
      instance_api_version : device_properties.apiVersion;

  const int device_api_level = android_get_device_api_level();
  if (device_api_level >= kMinimum_vk13_api_level &&
      driver_api_version >= VK_API_VERSION_1_3) {
    return VK_API_VERSION_1_3;
  } else if (device_api_level >= kMinimum_vk11_api_level &&
             driver_api_version >= VK_API_VERSION_1_1) {
    return VK_API_VERSION_1_1;
  }
  return VK_API_VERSION_1_0;
}

Determinare la compatibilità del profilo Vulkan

I profili Vulkan sono file JSON che definiscono un insieme di funzionalità, estensioni, funzionalità e limiti minimi dei parametri che un dispositivo Vulkan deve supportare per essere compatibile con il profilo. Per determinare se un dispositivo è compatibile con un profilo Vulkan specifico, ad esempio il profilo di base Android 2022, utilizza la libreria dell'API Vulkan Profiles open source. Puoi anche analizzare autonomamente il file JSON del profilo ed eseguire query sulle funzionalità del dispositivo utilizzando le API Vulkan pertinenti per determinare la compatibilità del profilo.

Profili Vulkan

Android utilizza i profili Vulkan che definiscono le funzionalità e le estensioni disponibili per ciascuno dei dispositivi con Android.

Il profilo di base Android (ABP) è il primo tentativo di creare un profilo Vulkan. ABP2021 e ABP2022 sono profili retrospettivi che mirano a coprire > 85% dei dispositivi attivi in quel momento. Non verranno creati nuovi ABP in futuro.

I profili Vulkan per Android (VPA) sono il nuovo profilo orientato al futuro che mira a riflettere le esigenze degli sviluppatori di software e a promuovere funzionalità coerenti non appena gli sviluppatori di hardware possono fornirle. VPA15_minimums è il primo profilo per Android 15 e ogni anno verrà creato un nuovo VPA per coprire ogni release principale di Android.

Implementare la spaziatura dei frame

La spaziatura dei frame corretta è una parte essenziale per offrire un'esperienza di gioco di alta qualità. Android Game Development Kit include la libreria Frame Pacing per aiutare il tuo gioco a ottenere una spaziatura dei frame ottimale. Per maggiori dettagli sull'implementazione, vedi Integrare la spaziatura dei frame di Android nel renderer Vulkan.

Non fare affidamento sulla sincronizzazione e sulla spaziatura dei frame implicite

vkAcquireNextImageKHR e vkQueuePresentKHR vengono utilizzati per gestire la swapchain. Evita di fare affidamento sul loro potenziale comportamento di blocco per la sincronizzazione generale dell'applicazione o della GPU.

Il comportamento di blocco preciso di queste funzioni può variare notevolmente tra:

  • Dispositivi Android
  • Driver GPU
  • Stati del motore di presentazione (VkPresentModeKHR)

L'unico scopo di vkAcquireNextImageKHR è acquisire un'immagine presentabile disponibile e potrebbe o meno bloccare. Allo stesso modo, vkQueuePresentKHR mette in coda una richiesta per visualizzare un' immagine e potrebbe o meno bloccare.

Nessuna delle due funzioni fornisce garanzie affidabili per la sincronizzazione di attività della CPU o operazioni della GPU non correlate.

Per una sincronizzazione robusta, utilizza sempre primitive Vulkan esplicite come i semafori per le dipendenze GPU-GPU (ad es. render-to-present), le barriere per la sincronizzazione GPU-CPU (ad es. sapere quando il rendering è terminato sulla CPU) e le barriere o gli eventi della pipeline per l'esecuzione della GPU e le dipendenze di memoria più granulari. L'utilizzo della sincronizzazione esplicita garantisce un comportamento prevedibile ed evita bug sottili causati da variazioni di temporizzazione specifiche dell'implementazione inerenti al diverso ecosistema hardware di Android.

Implementare la pre-rotazione

I dispositivi Android possono essere visualizzati in più orientamenti. L'orientamento del dispositivo può essere diverso dall'orientamento della superficie di rendering. A differenza di OpenGL ES su Android, Vulkan non gestisce le discrepanze tra i due. Per capire come funziona il processo di orientamento e il metodo ottimale per gestire le differenze di orientamento quando utilizzi Vulkan, vedi Gestire la rotazione del dispositivo con la pre-rotazione Vulkan.

Risolvere i problemi e profilare il rendering Vulkan

Sono disponibili diversi strumenti per aiutarti a diagnosticare i problemi di rendering e di rendimento con il codice di rendering Vulkan.

Per ulteriori informazioni sugli strumenti di debug e profilazione di Vulkan, consulta la sezione Strumenti e funzionalità avanzate.

Livelli di convalida Vulkan

I livelli di convalida Vulkan sono librerie di runtime che possono essere abilitate per ispezionare le chiamate all'API Vulkan e fornire avvisi o errori sull'utilizzo errato o non ottimale. Questi livelli di convalida non sono attivi per impostazione predefinita, poiché il processo di convalida aggiunge overhead di runtime e influisce sul rendimento del gioco. Per informazioni su come utilizzare i livelli di convalida con il tuo gioco, vedi Debug con il livello di convalida.

Strumenti di acquisizione dei frame

Utilizza gli strumenti di acquisizione dei frame per registrare e riprodurre le chiamate API Vulkan effettuate durante un frame di gioco. Questi strumenti ti consentono di:

  • Visualizzare informazioni e visualizzazioni delle risorse grafiche attive
  • Visualizzare la sequenza di chiamate API effettuate dal gioco e i parametri API
  • Esplorare lo stato della pipeline grafica al momento di una chiamata di disegno
  • Visualizzare i risultati del rendering fino a una chiamata di disegno specifica nel frame

Utilizza lo strumento open source RenderDoc per acquisire i frame dei giochi in esecuzione su Android. RenderDoc supporta l'acquisizione dei frame sia di Vulkan che di OpenGL ES.

È possibile utilizzare anche Android GPU Inspector (AGI) per acquisire i frame Vulkan.

Strumenti di analisi del rendimento

Utilizza gli strumenti di analisi del rendimento per esaminare i problemi di rendering nel tuo gioco che causano frequenze frame non ottimali. I singoli fornitori di GPU forniscono strumenti progettati per profilare il tuo gioco e fornire dati sul rendimento specifici per le loro architetture GPU. Le caratteristiche di rendimento e i colli di bottiglia del tuo gioco possono variare in modo significativo durante il rendering su GPU di fornitori diversi o anche su generazioni di GPU diverse dello stesso fornitore.

Puoi anche utilizzare Android GPU Inspector per raccogliere e analizzare i dati sul rendimento. A differenza degli strumenti del fornitore, Android GPU Inspector è compatibile con più GPU di fornitori diversi. Tuttavia, Android GPU Inspector non supporta i dispositivi Android meno recenti e potrebbe non essere compatibile con tutti i nuovi dispositivi.

Migliorare i test Vulkan con CTS-D

I produttori di dispositivi con Android utilizzano Compatibility Test Suite (CTS) per garantire la compatibilità dei loro dispositivi. I test CTS-D (Developer-Powered CTS) sono test inviati dagli sviluppatori di app per Android per assicurarsi che i futuri dispositivi Android soddisfino i loro casi d'uso e siano in grado di eseguire le loro applicazioni senza problemi e senza bug.

Se riesci ad attivare un nuovo bug con la tua applicazione Vulkan che influisce su un dispositivo specifico con Android, puoi inviare una nuova proposta di test, descrivendo il problema e i modi per verificarlo. In questo modo, il problema viene risolto in un aggiornamento futuro del dispositivo e si garantisce che lo stesso bug non si verifichi su altri dispositivi.

Consulta la procedura di invio CTS per istruzioni passo passo su come inviare la proposta di test.