Qt 6.0中的图形：QRhi、Qt Quick、Qt Quick 3D
去年，我们有一个关于Qt使用3D图形API和着色语言的新方法的博客系列，分为三部分：第一部分，第二部分，第三部分。对于Qt Quick，新渲染架构的早期选择加入预览在Qt5.14中发布，在Qt5.15中有一些改进。随着Qt6.0的发布即将到来，让我们看看自Qt5.15以来发生了什么。这里不可能涵盖Qt Quick图形堆栈改进的每一个细节，更不用说深入研究Qt Quick3D的大量特性了，其中许多特性是Qt6.0中的新特性或改进特性。相反，其目的只是为了概述今年晚些时候Qt6.0发布时从图形堆栈的角度可以看到的情况。
请注意，文档链接引用Qt6快照文档。这允许查看最新的C++和QML API页面，包括所有更改的和新的函数，但内容也不是最终的。这些联系稍后也可能会中断。
QRHI，即Qt渲染硬件接口，当涉及到OpenGL、Vulkan、Metal和Direct 3D等3DAPI时，它是Qt'；的内部图形抽象。与5.15相比，6.0的主要改进是这里和那里进行了大量的改进，最重要的是，进行了大量的性能优化。在使Qt Quick受益的同时，当涉及到包含许多可渲染对象的复杂场景时，这些在Qt Quick 3D中变得特别重要。
通过一些简化，Qt 6.0图形堆栈的主要层可以如下所示：
Qt着色器工具模块现在是安装程序中的可选模块。对于应用程序，这可能是相关的，因为这是提供QSB命令行工具(不要与QB混淆)及其关联的CMake构建系统集成的模块。此外，目前该模块是Qt Quick 3D的强制依赖项。
Qt6不再直接使用与OpenGL兼容的GLSL源代码片段。相反，着色器都是用Vulkan风格的GLSL编写的，然后反射并转换为其他着色语言，最后打包成可序列化的QShader对象，供QRhi使用。Qt 6中的着色器准备管道如下所示：
在使用Qt Quick的QML应用程序中，每当使用ShaderEffect或子类化QSGMaterialShader时，应用程序都需要以.qsb文件的形式提供烘焙的着色器包。这些是由QSB工具生成的。但是，这并不意味着开发人员必须直接开始使用新工具：使用CMake集成，可以通过qt6_add_shaders()CMake函数轻松列出CMakeLists.txt中的顶点、碎片和计算着色器。调用QSB并将生成的.qsb文件打包到Qt资源系统中，然后由构建系统负责。
有关如何在Qt6中处理图形和计算着色器的概述，以及QSB工具及其CMake集成的详细信息，请参见shadertools文档。
在Qt 5.14和5.15中，Qt Quick附带了一个可选的基于QRhi的呈现路径，可以通过设置环境变量QSG_RHI来启用该路径。这允许轻松地试验新堆栈，同时保持传统的、经过战斗测试的直接OpenGL代码路径为默认路径。
在Qt6.0中，所有这样的开关都消失了。没有办法获得渲染直接到OpenGL的Qt快速场景。相反，新的默认设置是Qt快速场景图的基于QRHI的渲染路径。与Qt5.15相比，除了更改默认设置之外，配置什么QRhi后端以及使用哪个图形API的方式几乎没有变化。有关详细信息，请参阅文档。一个不同之处在于更好的API命名：在请求的C++代码中，现在通过QQuickWindow：：setGraphicsApi()函数来完成给定的QRhi后端(以及扩展的图形API)，而在5.15中，此任务通常被推到setSceneGraphBackend()的重载上，从而导致相当不准确的命名。
虽然许多应用程序不会注意到其中的任何一个，但这其中有很多含义。如果应用程序既不使用着色器代码(ShaderEffect、QSGMaterial)，也不直接使用OpenGL执行自己的渲染，则很有可能根本不需要迁移步骤。(至少不是因为图形)。
如果应用程序以这样或那样的方式直接使用OpenGL，并且对使用其他图形API不感兴趣呢？例如，使用QQuickFrameBufferObject或连接到QQuickWindow：：beforeRending()等信号的应用程序在Qt Quick场景下或之上注入其自己的OpenGL渲染。这就是上面提到的setGraphicsApi()函数真正发挥作用的时候：如果应用程序愿意，它总是可以声明它只需要OpenGL(或Vulkan、Metal或D3D)，而不需要其他任何东西。这样可以保证Qt Quick将使用相应的QRhi后端(否则它将无法初始化)，因此应用程序可以安全地假设直接转到OpenGL是安全的，因为Qt Quick最终也将通过OpenGL呈现。请注意，这并不免除应用程序必须执行其他类型的移植步骤：例如，如果应用程序另外使用ShaderEffect或创建自己的自定义材质，则仍需要迁移到处理着色器和材质的新方法。
API的变化主要分为三类。这不会是一个详尽的清单，而只是一些重要变化的一瞥。详细的更改列表和移植指南预计将在最终的Qt6.0版本中提供。
不同的着色器和材质方法：QSGMaterialShader进行了全面更新(与5.14和5.15中已移除的QSGMaterialRhiShader或多或少相同)。ShaderEffect不再允许内联着色器字符串。相反，vertexShader和framentShader属性是URL，类似于image.Source和其他属性。它们可以引用本地.qsb文件，或通过Qt资源系统(QRC)嵌入的.qsb文件。
从QQuickWindow、QSGTexture和其他地方删除特定于OpenGL的信息。GLuint textureId()、createTextureFromId(GLuint textureId，...)或setRenderTarget(GLuint FboId)等函数现在消失了，这并不奇怪。采用(包装)现有的OpenGL纹理、Vulkan图像、Metal纹理或D3D11纹理，或者访问QSGTexture的底层原生纹理仍然是完全可能的，但现在是通过一组不同的API完成的，例如QSGVulkanTexture和其他类似的类，其实例可从QSGTexure查询。
集成应用程序自己的自定义渲染与Qt Quick渲染使用的图形API完全受支持，不仅适用于OpenGL，还适用于Vulkan、Metal和D3D11。然而，由于它们的性质，其中一些API需要连接到多个单一信号，如beforeRenender()或After Renender()。例如，我们现在还拥有beforeRenderPassRecord()。有关更多详细信息和示例链接，请参阅场景图概述文档中的相关部分。最后，可以通过QSGRendererInterface查询的原生图形资源的数量已经扩展，现在也涵盖了Vulkan、Metal和Direct3D。
扩展对将Qt快速场景重定向到屏幕外渲染目标的支持。QQuickRenderControl和相关的基础设施得到了极大的增强。这样做不仅是为了能够以与Qt5中相同的方式使用OpenGL以外的图形API(例如，在没有屏幕窗口的情况下将Qt Quick场景渲染到Vulkan VkImage中)，而且还为了能够与AR/VR框架和诸如OpenXR的API集成(与Vulkan、D3D11或OpenGL中的任何一个相结合)。除了略微更改的QQuickRenderControl接口之外，我们现在还有许多帮助器类来改进QQuickWindow的可配置性：QQuickRenderTarget、QQuickGraphicsDevice和QQuickGraphicsConfiguration。在需要更细粒度控制的场景中，这些是必不可少的：当涉及到现有的呈现引擎时，与OpenXR这样的API集成并不总是简单的；当涉及到实例、设备和其他图形对象的创建、初始化和所有权时，会有许多潜在的鸡生蛋问题：Qt Quick应该使用哪个Vulkan实例，或者应该在第一次初始化场景图时创建一个新的Vulkan实例？Qt应该快速选择哪个Vulkan物理设备或DXGI适配器，还是只保留默认设置？除了Qt本身需要什么之外，还应该启用哪些VkDevice扩展？渲染应该以什么2D图像/纹理为目标，由谁创建，何时创建？期望Qt6.0做好充分的准备，为在Qt6.x系列的其余部分中进一步探索AR/VR世界奠定基础。
ShaderEffect中的着色器代码新方法的一个综合示例是经典的Qt5电影体验演示的Qt6端口。(GitHub Repo)此版本已移植到CMake，并且具有所有图形API的完整功能，包括所有着色器和粒子效果。
查看QML源代码，例如窗帘效果的代码显示，它确实删除了所有内联GLSL字符串。
相反，顶点着色器和碎片着色器现在在源树中作为普通文件存在，不再与应用程序可执行文件捆绑在一起。
现在由构建系统和Qt着色器工具在构建时编译、反射和转换-着色器编译错误成为正确的构建错误而不是模糊的运行时问题！-然后将生成的.qsb文件与应用程序捆绑在一起。这就是qt6_add_shaders()函数在项目的CMakeLists.txt中实现的功能。
那些对一些较低级别的主题感兴趣的人，例如直接使用场景图，或将3D渲染代码与其集成，建议查看Qt附带的场景图示例的修订列表，请参阅此处的场景图部分。所有这些都是在Qt6.0中更新的，而其中一些是全新的。
例如，专门介绍了自定义材质示例，以关注如何实现使用其自己的材质的自定义QQuickItem。
同样值得注意的是特定于图形API的示例，下面是Qt5的openglunderqml示例，现在演示如何使用Vulkan、Metal和Direct3D 11实现相同的功能。当然，这些示例仅适用于相关的图形API。查看它们的main()函数会发现它们都强制执行相关的RHI后端。
其中一些方法比经典的参考底图/覆盖方法走得更远。例如，metaltextureimport和vulkantextureimport示例演示了如何将QQuickItem添加到场景中，该场景实际上是一个带纹理的四边形，使用创建并渲染到Qt Quick Scenegraph控件外部的MTLTexture或VkImage进行纹理处理。
在Qt5.15中，主要的新闻是Qt Quick3D的引入，使3D世界、3D模型和PBR材料成为Qt Quick世界的头等公民。在很多方面，这仅仅是对Qt6.0即将推出的内容的一个预览。
虽然在Qt5.15中仍然与OpenGL捆绑在一起，但Qt6.0发布时更新了Qt Quick3D的内部结构，现在基于基于QRhi的基础设施。正如文档页面所述，适用于Qt Quick的配置选项也隐含地适用于Qt Quick 3D。例如，如果Qt Quick配置为使用Vulkan，则通过设置QSG_RHI_BACKEND=Vulkan或使用等效的C++API，同样的情况也适用于Qt Quick 3D。
整个功能集，包括材质、照明、阴影、基于图像的照明、更新的自定义材质和后处理效果系统，都具有所有支持的图形API(OpenGL、Vulkan、Metal、Direct 3D 11)的完整功能。
随着在Qt中处理着色器的方式的普遍更新，自定义材质的概念在Qt 6.0中也经历了重大变化。现在，Qt Quick 3D材质系统有了一个全新的扩展，它允许创建可编程材质，其中网格着色的方式由应用程序提供的着色器代码控制，这些代码以与Vulkan兼容的GLSL代码片段的形式提供，通过上述Qt的标准着色器管道，从而在运行时与任何支持的图形API一起工作，同时仍由引擎修改以执行所有预期的照明、阴影、遮挡和其他步骤，将来自场景环境的所有贡献与应用程序提供的着色逻辑相结合。
现在对查看细节感兴趣的人，欢迎查看CustomMaterial页面和快照文档中的工作入门指南。
QRhi部分中的图表提到了窗口小部件，尽管乍一看它的位置可能很奇怪，远离QRhi和Qt Quick。这试图表明什么呢？
一般说来，在Qt5中工作的所有东西都可以在Qt6中工作，除了过时的和现在被删除的功能，比如所有带有QGL前缀的Qt4纪元类(最值得注意的是QGLWidget)。如果Qt5应用程序将其自己的OpenGL内容呈现到QWindow中，或者使用QOpenGLWidget，它将像以前一样运行。(在最坏的情况下，使用一些非常小的迁移步骤，例如，由于QOpenGLWidget移动到自己的模块openglwidgets而不得不更新应用程序项目文件)。
QRhi或新的着色器管道目前在这里没有作用，至少在Qt6.0中是这样。小部件的呈现类似于Qt5，而QOpenGLWindow或QOpenGLWidget中的OpenGL内容继续直接使用OpenGL API。
QQuickWidget是Qt6.0中一个有趣的混合体，需要应用程序强制使用OpenGL。这是因为虽然Qt Quick可以与其他图形API配合使用，但widget(QOpenGLWidget和QQuickWidget所依赖的)中的组合架构暂时继续直接使用OpenGL。
一个值得注意的变化是删除了角度，这意味着在Windows上角度不再与Qt捆绑在一起。这不会影响绝大多数应用程序，除了那些在幕后将OpenGL ES角度转换为Direct3D的应用程序。根据其依赖性的性质和复杂性，这类应用程序应该考虑使用OpenGL正确启用功能，或者考虑直接使用Direct3D。对于基于Qt Quick和Qt Quick3D的应用程序来说，没有角度在实践中很可能不是问题，因为Direct3D11现在是Qt6中的一流渲染选项。
这就是目前的情况。还有更多的Qt6图形主题可以谈论，但希望上面的内容能为Qt6.0中的更改和新特性提供一个很好的起点。期待在不久的将来会有更多的帖子，特别是在Qt Quick3D的背景下。
