本文翻译自Qt Quick on Vulkan, Metal, and Direct3D - Part2

原文作者：Laszlo Agocs，Qt公司高级开发工程师

校审：Richard Lin

让我们接着第一篇文章开始讲。前面我们看到了Qt Quick应用程序在Linux下面基于OpenGL和Vulkan运行的示例。我们也看到在RenderDoc中捕获Vulkan帧的示例，这不仅仅是Qt开发中的重要工具，对于想挖掘深层次的原理并更好地理解Qt Quick是如何在应用中渲染帧 (或排除渲染的故障)也是非常有用的。在这篇文章中，我们将重点关注Qt 5.14为macOS和Windows提供了什么功能。

macOS上的Metal

在macOS 10.13或10.14设置QSG_RHI=1(以及QSG_INFO=1)并运行qt5-cinematic-experience 示例程序，可以看到如下的结果:

qt.scenegraph.general: Using QRhi with backend Metal
  graphics API debug/validation layers: 0
  QRhi profiling and debug markers: 0
qt.scenegraph.general: threaded render loop
qt.scenegraph.general: Using sg animation driver
qt.scenegraph.general: Animation Driver: using vsync: 16.67 ms
qt.rhi.general: Metal device: Intel(R) HD Graphics 615
qt.scenegraph.general: MSAA sample count for the swapchain is 1. Alpha channel requested = no.
qt.scenegraph.general: rhi texture atlas dimensions: 4096x2048
qt.rhi.general: got CAMetalLayer, size 2560x1440

Qt 6的目标，是默认使用目标平台上主流的、支持最好的图形API（同时也允许应用程序选择其他图形API），在macOS上启用QRhi的渲染方式后，系统会默认使用Metal来渲染Qt Quick。

类似于在QtGui、QPA，和其他一些平台插件中添加Vulkan实例和Surface构建Vulkan渲染后台的方式，QRhi的Metal后台依赖于Qt 5.12前后引入的cocoa平台插件中的Metal的支持。带QSurface::MetalSurface标志的QWindow将获得一个NSView，NSView背后是一个CAMertalLayer。这就是QRhi的Metal后端架构。（要使能QRhi的渲染路径，并且QQuickWindow获得正确的QSurface::SurfaceType标记值，才能正常运行）

有一个非常重要的特性，即能够使用独立的渲染线程运行Qt Quick。之前由于macOS 10.14中的NSOpenGLContext以及相关API中存在一个的多线程问题，Qt在macOS上禁用了独立的OpenGL渲染线程，而把默认值改为“basic”。这导致Qt Quick动画的平滑度有所降低。对于Metal，我们没有(根据我们目前的认知)发现任何多线程的问题，因此我们又可以开启独立的渲染线程了。(通过设置QSG_RENDER_LOOP环境变量，可以改写渲染线程的设置；这个变量可与QSG_RHI配合使用)

我们之前提到了RenderDoc，它可以调试Qt应用程序的帧渲染，支持OpenGL、Vulkan以及Direct3D的运行态。对于Metal，可以使用XCode及其内置的GPU帧快照器。

有一个实用方法可以用XCode快速打开待调试的Qt项目，在命令行执行make xcodeproj && open *.xcodeproj（如果还没有执行qmake则可以执行qmake -spec macx-xcode）。按下Cmd-R，然后会立即启动调试器。在Qt开发期间我们会经常这样使用。为了防止Metal GPU获取失败，即使Qt Quick已经设置为Metal渲染，还是要检查 “Product ->Scheme->Edit scheme…”，并将GPU帧获取获改为Metal。

在XCode中调试构建应用程序时会启用Metal验证，这意味着当Metal API使用不当时，XCode将（理想情况下）返回提示性警告并中断程序执行。与其他平台不同的是，如果不通过XCode进行调试，则无法启用Metal API验证。（与Vulkan和D3D不同，设置环境变量QSG_RHI_DEBUG_LAYER无效）

iOS上的Metal

iOS或者tvOS上是什么情况?

在编写本文时，（iOS和tvOS的）平台插件中缺少与Metal相关的管道，这也意味着QRhi的Metal后端还没有在这些平台上进行测试。这就是为什么Qt 5.14新特性页面关于Qt Quick的部分只提到macOS。预计在不久的将来，可能5.15中，会增加相关的支持。

macOS上的Vulkan

如何通过MoltenVK使用Vulkan呢？

正如在第1部分中提到的，使用Vulkan发起渲染，然后依靠MoltenVK在运行时将API调用和SPIR-V着色器代码转换为Metal和Metal着色语言也是一种选择。这需要一个支持Vulkan的Qt库，这在Apple平台上不是现成提供的。有关详细信息，请参阅这篇文章，关键是使用configure参数-I来设置并确保可以在运行时使用环境变量QT_VULKAN_LIB并找到对应的库。

必须要注意，这个方式（在macOS上通过MoltenVK使用Vulkan）只是“尽我们能力”去支持。在Apple平台上首要的渲染方式是通过Metal

使用QSG_RHI_BACKEND=vulkan (使用适当配置的Qt 5.14库)运行演示应用程序，结果如下:

qt.scenegraph.general: Using QRhi with backend Vulkan
  graphics API debug/validation layers: 0
  QRhi profiling and debug markers: 0
qt.scenegraph.general: threaded render loop
qt.scenegraph.general: Using sg animation driver
qt.scenegraph.general: Animation Driver: using vsync: 16.67 ms
qt.rhi.general: Physical device 0: 'Intel(R) UHD Graphics 630' 0.2.1835 (api 1.0.92 vendor 0x8086 device 0x3E9B type 1)
qt.rhi.general: using this physical device
qt.rhi.general: queue family 0: flags=0x7 count=1
qt.rhi.general: 17 device extensions available
qt.scenegraph.general: MSAA sample count for the swapchain is 1. Alpha channel requested = no.
qt.scenegraph.general: rhi texture atlas dimensions: 2048x1024
qt.rhi.general: Creating new swapchain of 2 buffers, size 1280x720, presentation mode 2

值得注意的是，我在macOS 10.13上运行时遇到了问题，在使用线程渲染循环时遇到了死锁和崩溃。在升级到更新的（1.0.121）Vulkan SDK（其中包括MoltenVK）时导致了一系列新的问题，依然无法启动应用程序。（会不断收到类似于https://github.com/KhronosGroup/MoltenVK/issues/695的问题）以后再调查这个问题吧。在这里，在一个带有10.14的Mac Mini和一个半新版本的Vulkan SDK / MoltenVK上，结果却非常好，正如屏幕截图所示。

Windows平台

Windows是我们拥有最多选项的平台。在4个主要的QRhi后端(Vulkan、Metal、D3D11、OpenGL)中，至少有三个可以在Windows上使用：Direct3D 11、Vulkan和OpenGL。

这就引出了一个显而易见的问题:为什么只有3个而不是4个,Direct3D 12不就是第四个吗?

目前还没有D3D12的后台。以后会增加它因为有这个计划，但目前还没有实施。回到我们的主题，需要注意一件事，在Qt 5.8中添加的实验性质的Qt Quick的D3D12直接渲染后端在Qt 6中被弃用了（因为我们会以一种全新的方式来解决多图形API的问题）。

在Windows上设置QSG_RHI=1时的默认值是Direct3D 11。与往常一样，如果需要Vulkan或OpenGL，则需要使用QSG_RHI_BACKEND进行修改。

qt.scenegraph.general: Using QRhi with backend D3D11
  graphics API debug/validation layers: 0
  QRhi profiling and debug markers: 0
qt.scenegraph.general: threaded render loop
qt.scenegraph.general: Using sg animation driver
qt.scenegraph.general: Animation Driver: using vsync: 16.67 ms
qt.rhi.general: DXGI 1.2 = true, FLIP_DISCARD swapchain supported = true
qt.rhi.general: Adapter 0: 'NVIDIA GeForce RTX 2060' (flags 0x0)
qt.rhi.general: using this adapter
qt.rhi.general: Adapter 1: 'Microsoft Basic Render Driver' (flags 0x2)
qt.scenegraph.general: MSAA sample count for the swapchain is 1
qt.scenegraph.general: rhi texture atlas dimensions: 2048x1024

需要注意的是，我们是基于Direct3D 11.1，而不是11.0。主要是因为我们需要VSSetConstantBuffers1
（以及相关的PS和CS变量）。这应该不会出现问题，除非想在没有安装平台更新的纯Windows 7上运行。说到Windows 7，需要注意，目前基于D3D11的渲染后台在Qt 5.14的Windows 7上不能正常工作，因此在5.14的新特性页面上只提到了Windows 10。这是以后需要补充的地方（但前提是Qt6仍然会支持Windows 7）。

要启用Direct3D调试功能，请将环境变量QSG_RHI_DEBUG_LAYER设置为1。这也适用于Vulkan，只要调试功能可用（例如已安装了Vulkan SDK）。Qt能方便地将消息定向到调试输出（就好像它们是通过qDebug输出的一样）。

Vulkan和OpenGL能在Windows上正常工作，为了避免文章太长，这里就不附截图了。

与Vulkan和Metal一样，QRhi的OpenGL后端也是构建在一些（但不是全部）现有的OpenGL类库的平台管道之上的，比如QOpenGLContext、QOpenGLFunctions，以及Windows平台插件(WGL、EGL)中的底层管道。因此，原来直接运行在OpenGL上的Qt Quick应用程序的所有内容，在新的渲染平台上都有。（比如desktop, ANGLE, Software三选一参数以及各种环境变量，如QT_OPENGL）

说到ANGLE，我们的期望在Qt6中把它从直接依赖库中删除。这需要进一步调查以完全确保我们不会失去对特殊用例的支持，但是现在的计划是让QRhi-based渲染路径在Windows上支持Direct3D 11、OpenGL(通过WGL)和Vulkan，这就已经能够满足应用开发了。

这就是这篇文章的全部内容。在第3部分中，我们将最终开始深入研究QRhi是什么以及如何处理着色器。