【CSDN 編者按】

本文的兩位作者皆是 AMD 的工程師，他們?cè)谌粘Ｒ矔?huì)像很多程序員一樣，被問(wèn)如何成為一名圖形工程師，或者有沒(méi)有一些資源推薦。基于此，他們寫下了這篇文章，并且匯集了一些適合圖形工程師入門的相關(guān)資料。

原文鏈接：https://gpuopen.com/learn/how_do_you_become_a_graphics_programmer/

作者 | Lou Kramer，Rys Sommefeldt

譯者 | ChatGP 責(zé)編 ｜夢(mèng)依丹

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

Graphics Programmer 一般指圖形工程師，從事圖形編程的專業(yè)人員，他們利用編程和圖形學(xué)知識(shí)來(lái)創(chuàng)建各種視覺(jué)效果和圖形應(yīng)用。本文的兩位作者皆是 AMD 的工程師，他們?cè)谌粘Ｒ矔?huì)像很多程序員一樣，被問(wèn)如何成為一名圖形工程師，或者有沒(méi)有一些資源推薦?；诖?，他們寫下了這篇文章，并且匯集了一些適合圖形工程師入門的相關(guān)資料。

選擇哪門編程語(yǔ)言？

當(dāng)他們與學(xué)生分享工作內(nèi)容時(shí)，幾乎總會(huì)被問(wèn)到：你們使用哪種編程語(yǔ)言？簡(jiǎn)短地回答是 C 。

詳細(xì)的回答是這樣的，如果你從事圖形編程，你會(huì)使用 C 編寫主機(jī) CPU 的代碼，但你還需要編寫針對(duì) GPU 的代碼，通常被行業(yè)稱為著色器代碼，使用高級(jí)著色語(yǔ)言（如HLSL或GLSL）編寫。你還需要一種方法將它們聯(lián)系起來(lái)，通過(guò) CPU 向 GPU 發(fā)送請(qǐng)求，使用著色器和其他必要的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)有用的操作。這就是圖形應(yīng)用程序編程接口（API）的作用，通常使用 C 編寫主機(jī) CPU 代碼來(lái)驅(qū)動(dòng)它們。

所以更有爭(zhēng)議的問(wèn)題是：應(yīng)該從哪個(gè)圖形 API 入手？其實(shí)這個(gè)沒(méi)有確定的答案，只有一系列不同的觀點(diǎn)和考慮因素。

選擇哪個(gè)圖形 API ？

本文將重點(diǎn)介紹一些應(yīng)用在大多數(shù) PC 游戲或 3D 應(yīng)用程序員的常見(jiàn)圖形 API，暫時(shí)忽略像游戲主機(jī)那樣（主要）使用專有API的情況。

盡管有各種不同的圖形 API，但 2023 年主要用以下幾種：

• OpenGL? / Microsoft? DirectX? 11 / WebGL?

• Vulkan? / Microsoft? DirectX? 12 / Metal / WebGPU

OpenGL?、DirectX? 11 和WebGL? 是傳統(tǒng)的 API。它們基于 GPU 編程的歷史方法。盡管如此，它們?cè)趯W(xué)術(shù)界和工業(yè)界仍被廣泛使用，從程序員的角度來(lái)看它們更簡(jiǎn)單，因此更容易學(xué)習(xí)。然而，它們的簡(jiǎn)單性是有代價(jià)的，隨著時(shí)間的推移，這些 API 在驅(qū)動(dòng)程序和運(yùn)行時(shí)代碼中的底層實(shí)現(xiàn)會(huì)變得更加復(fù)雜，進(jìn)而帶來(lái)主機(jī)端瓶頸和給 GPU 供應(yīng)商編寫驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄円幚砀鼜?fù)雜的 API 實(shí)現(xiàn)。

（注：OpenGL?、DirectX?、WebGL?、Vulkan?和Metal是注冊(cè)商標(biāo)，歸其各自所有者所有。）

在 2013 年至 2016 年期間，AMD 在 PC 上推出 Mantle 圖形 API，它為程序員提供了更底層的 GPU 訪問(wèn)方式，相較于傳統(tǒng) API 更加高效。這一改變帶來(lái)了更好的性能，為圖形編程帶來(lái)了新的可能性。

2014 年，蘋果推出了 Metal 圖形 API。2016年，Microsoft 的 DirectX? 12 和 Khronos Group 的 Vulkan? 也發(fā)布了類似的 API。這些 API 都采用了更低級(jí)別、更顯式的 GPU 編程方法，要求程序員更清晰地指定 GPU 操作，從而給予程序員更多的控制能力。

新一代的圖形 API 將更多的責(zé)任和控制權(quán)交給了應(yīng)用程序開發(fā)者，而不是由 GPU 驅(qū)動(dòng)程序來(lái)處理。這樣做的好處是程序員可以更加精確地控制 GPU 的操作，從而提高性能和效率。

在了解上述 GPU 編程范式的轉(zhuǎn)變之后，如何選擇 API 也會(huì)變得簡(jiǎn)單。如果你想在以 PC 游戲?yàn)橹髂繕?biāo)的 Windows? 上進(jìn)行圖形編程，那么直覺(jué)會(huì)告訴你選擇 Vulkan? 或 DirectX? 12 是明智的，因?yàn)樗鼈兪切录夹g(shù)。那么，真的是這樣嗎？

然而，傳統(tǒng)的圖形 API 仍然在被廣泛使用，而且它們更加簡(jiǎn)單和易于學(xué)習(xí)。因此，先學(xué)習(xí)傳統(tǒng) API，然后再逐漸過(guò)渡到現(xiàn)代圖形 API 可能是一個(gè)合理的選擇。就像在攀登珠穆朗瑪峰之前先在自家附近的小山上進(jìn)行訓(xùn)練一樣。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的比較，繪制一個(gè)三角形在圖形編程中相當(dāng)于\”Hello, World!\”。使用OpenGL?或DirectX? 11 只需要大約 10 行代碼就可以實(shí)現(xiàn)，而 Vulkan? 和 DirectX? 12 則需要至少一個(gè)數(shù)量級(jí)更多的代碼。

因此，你也可以說(shuō) Vulkan? 和 DirectX? 12 需要更多的代碼來(lái)手動(dòng)控制 GPU。盡管需要寫更多的代碼，但每一行代碼都更明確地描述了最終在 GPU 上發(fā)生的事情。而在 OpenGL? 和 DirectX? 11 中，很多細(xì)節(jié)都被 API 隱藏和自動(dòng)處理，這使得 GPU 看起來(lái)像是一個(gè)神奇的盒子，而你需要做的一些事情可能難以理解其背后的 GPU 工作原理。

因此，選擇學(xué)習(xí)哪種 API 取決于個(gè)人的需求和目標(biāo)。如果你想快速入門并學(xué)習(xí)基本的圖形編程概念，傳統(tǒng) API 可能更適合你。如果你有更高的要求，希望獲得更多的控制權(quán)和性能優(yōu)化，那么學(xué)習(xí)現(xiàn)代圖形 API 如 Vulkan? 或 DirectX? 12 將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

Vulkan? and DirectX? 12 確實(shí)要求你在早期就處理和獲得更低級(jí)別的知識(shí)和理解，而 OpenGL? 和 DirectX? 11 則在更高級(jí)別上操作，讓你專注于圖形編程更高效的一面。

看完上面的分析之后，如果你還存在顧慮，不妨看看 AMD 游戲工程團(tuán)隊(duì)對(duì)于選擇傳統(tǒng) API 還是現(xiàn)代 API 的真實(shí)看法：

\”作為一個(gè)十幾歲的孩子從學(xué)習(xí) DX12? 或 Vulkan? 開始進(jìn)行圖形編程可能會(huì)很困難。\”

\”我們離那個(gè)古老的 glVertex hello triangle 還有很長(zhǎng)的路要走。\”

\”遺憾的是 OpenGL? 不再那么重要了。\”

\”我認(rèn)為（OpenGL?）仍然足夠好，可以用來(lái)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，我個(gè)人觀點(diǎn)。\”

\”我最開始使用的是 DX10?，我覺(jué)得還不錯(cuò)，但如果不精通 C 的話，很多孩子會(huì)遇到困難。\” – DX10? 是 DX11? 的前身，已經(jīng)過(guò)時(shí)了，不要學(xué)習(xí) DX10?！

\”但有很多因素需要考慮。學(xué)習(xí)光柵化和光線追蹤的理論。學(xué)習(xí)傳統(tǒng)渲染管線。學(xué)習(xí)如何向 GPU 分配工作等等……我不知道應(yīng)該按什么順序?qū)W習(xí)它們，但我通常完全使用 C （沒(méi)有必要從其他語(yǔ)言開始），所以我可能應(yīng)該建議直接從Vulkan? 開始……但老實(shí)說(shuō)，我不太確定。\”

當(dāng)然，還有一種可能性，就是學(xué)習(xí)圖形編程而不使用 OpenGL? 和 DirectX? 11，或者 Vulkan? 和 DirectX? 12。文中提到的 WebGL? 和 WebGPU，它們是在 Web 瀏覽器領(lǐng)域中可用的廣泛類別的圖形 API，這兩種 API 都在自己獨(dú)立的軟件生態(tài)系統(tǒng)（可以說(shuō)是一個(gè)完整的操作系統(tǒng)）中運(yùn)行。

在 Web 瀏覽器中，你也可以通過(guò) WebGL? 或 WebGPU 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖形！其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是你不需要使用 C 來(lái)進(jìn)行 Web 開發(fā)，盡管你仍然可以通過(guò)諸如 WebAssembly 之類的技術(shù)在瀏覽器中使用 C 來(lái)驅(qū)動(dòng)圖形。在 Web 瀏覽器中，JavaScript 是主流的編程語(yǔ)言，非常適合進(jìn)行圖形開發(fā)。

另外，如果你想先專注于更高級(jí)別的內(nèi)容，不想過(guò)多涉及圖形 API 的低級(jí)細(xì)節(jié)和手動(dòng)編寫著色器，那么使用游戲引擎可能是一個(gè)合適的選擇。Unreal Engine 是最大的 PC 游戲引擎，Unity? 是最常見(jiàn)的替代選擇，還有許多更小、更簡(jiǎn)單的開源引擎，如 Godot，供你嘗試和玩耍。

以下是來(lái)自 AMD 游戲工程團(tuán)隊(duì)的一些觀點(diǎn)：

\”我認(rèn)為讓新手從 DX12? 或 Vulkan? 開始可能有些困難，但也許是可行的。我會(huì)建議從 WebGL? 開始，只是為了理解圖形渲染管線，可能是最簡(jiǎn)單的方式（你可以專注于正確的內(nèi)容）。\”

\”WebGPU 可能會(huì)讓你更接近現(xiàn)代圖形 API 的概念，而不需要過(guò)多關(guān)注低級(jí)細(xì)節(jié)。\”

\”WebGPU 可能會(huì)變得更好，但目前我認(rèn)為一旦你開始編寫復(fù)雜代碼，可能會(huì)遇到許多問(wèn)題。盡管如此，它非?？?，并且意外工作得很好。我真誠(chéng)希望它能變得更好，但現(xiàn)在已經(jīng)非常有前景。對(duì)于原型開發(fā)來(lái)說(shuō)，它非常出色。而且，它可能也是學(xué)習(xí)/教學(xué)的良好 API。\”

\”我知道一些學(xué)校在他們的首個(gè)渲染課程中使用 Unity?，這可能還不錯(cuò)，但存在這樣的風(fēng)險(xiǎn)，學(xué)生們可能永遠(yuǎn)不會(huì)理解為什么需要學(xué)習(xí)底層內(nèi)容……\”

\”如果你對(duì)現(xiàn)代圖形渲染管線以及 GPU 硬件的高級(jí)實(shí)現(xiàn)方式有很好的掌握，或者你想在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步了解 GPU 硬件，那么從一個(gè)顯式的 API 開始是可以的。否則，先從一些更簡(jiǎn)單的內(nèi)容開始，然后在需要或者有興趣時(shí)再轉(zhuǎn)向顯式的API。\”

\”就個(gè)人而言，我認(rèn)為在開始編寫自定義主機(jī)代碼之前，通過(guò)流行的游戲引擎熟悉著色器可能是入門的好方式。如果你對(duì)在圖形 API 中想要實(shí)現(xiàn)什么有清晰的思路，學(xué)習(xí)會(huì)更加困難，否則當(dāng)你開始處理三角形時(shí)可能會(huì)放棄學(xué)習(xí)。\”

一些實(shí)用性的資源

以下是 AMD 游戲工程團(tuán)隊(duì)推薦的一些學(xué)習(xí)資源：

• https://learnopengl.com – “LearnOpenGL 是最適合初學(xué)者的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，它向你展示了如何使用實(shí)際的 API 在 C 中完成這些工作。”

• https://www.scratchapixel.com – “Scratchapixel 之所以好，是因?yàn)槟悴粫?huì)得到一堆代碼，而是專注于學(xué)習(xí)光線追蹤等內(nèi)容。”

• https://www.udemy.com/ – “Udemy 是一個(gè)幫助人們?nèi)腴T的好地方。”

• https://rastertek.com/tutindex.html – OpenGL?/DirectX?11 教程

• https://github.com/RayTracing/raytracing.github.io : 《Ray Tracing in one weekend》 – “我喜歡實(shí)踐式的學(xué)習(xí)方法，所以如果你有一點(diǎn)編碼能力，周末學(xué)會(huì)光線追蹤是不錯(cuò)的選擇?！?/p>

• https://fgiesen.wordpress.com/2011/07/09/a-trip-through-the-graphics-pipeline-2011-index/ – “從 GPU 的角度了解圖形渲染管線。這是 2011 年的內(nèi)容，所以它是在顯式 API 出現(xiàn)之前的，但很多硬件和軟件概念仍然適用?！?/p>

• https://sotrh.github.io/learn-wgpu/ – “有一個(gè)與 learnopengl 類似風(fēng)格的“學(xué)習(xí) WebGPU”網(wǎng)站，但還處于進(jìn)行中。”

• https://codelabs.developers.google.com/your-first-webgpu-app – “我還沒(méi)有完全閱讀它，但它還不錯(cuò)。”

• https://www.shadertoy.com/ – “Shadertoy 允許你編寫著色器，無(wú)需處理任何圖形 API。如果我當(dāng)初沒(méi)有從更簡(jiǎn)單的東西開始（對(duì)我來(lái)說(shuō)只是在 Java 畫布上直接繪制），我可能永遠(yuǎn)對(duì)圖形不感興趣，也不會(huì)想要學(xué)習(xí) OpenGL?。”

• https://vulkan-tutorial.com/ – “我還覺(jué)得讓人們不要害怕復(fù)制粘貼，特別是在使用 Vulkan? 和 DirectX? 時(shí)?！?/p>

總結(jié)

如果你到現(xiàn)在還沒(méi)有決定要從哪種編程語(yǔ)言和圖形 API 生態(tài)系統(tǒng)開始，請(qǐng)不要擔(dān)心。你可以嘗試不同的方法，然后選擇最適合你的那個(gè)。

當(dāng)然，你也可以在本文留言，分享你學(xué)習(xí)圖形編程的經(jīng)驗(yàn)和想法，也可以分享相關(guān)資源。