Vulkan Tutorial 23 Descriptor layout and buffer

操作系統:Windows8.1

顯卡:Nivida GTX965M

開發工具：Visual Studio 2017

我們現在可以將任意屬性傳遞給每個頂點的頂點著色器使用。但是全局變數呢？我們將會從本章開始介紹3D圖形相關的內容，並需要一個模型視圖投影矩陣。我們確實可以將它一頂點的方式包含，但是這非常浪費帶寬、內存，並且需要我們在變換的時候更新頂點緩衝區的數據。這種變換通常發生在每一幀。

在Vulkan中正確處理此問題的途徑是使用資源描述符。描述符是著色器資源訪問諸如緩衝區和圖像這樣資源的一種方式。我們需要設置一個包含轉換矩陣的緩衝區，並使頂點著色器通過描述符訪問它們。描述符的使用由三部分組成：

• 在管線創建時指定描述符的布局結構
• 從描述符對象池中分配描述符集合
• 在渲染階段綁定描述符集合

描述符布局指定了管線訪問的資源的類型，就像渲染通道指定附件的類型一樣。描述符集合指定將綁定到描述符的實際緩衝區或映射資源。就像幀緩衝區為綁定渲染通道的附件而指定實際的圖像視圖一樣。描述符集合就像頂點緩衝區和幀緩衝區一樣被綁定到繪製命令。

有許多類型的描述符，但在本章中，我們將使用統一的緩衝區對象uniform buffer objects(UBO)。我們將會在後面的章節中討論其他類型的描述符，但基本過程是一樣的。假設我們有一個數據，我們希望頂點著色器擁有一個這樣的C結構體：

struct UniformBufferObject {
glm::mat4 model;
glm::mat4 view;
glm::mat4 proj;
};

我們可以拷貝數據到VkBuffer並在頂點著色器中通過uniform buffer object描述訪問它們：

layout(binding = 0) uniform UniformBufferObject {
mat4 model;
mat4 view;
mat4 proj;
} ubo;

void main {
gl_Position = ubo.proj * ubo.view * ubo.model * vec4(inPosition, 0.0, 1.0);
fragColor = inColor;
}

我們會在每一幀更新模型，視圖和投影矩陣，使前一章的矩形以3D旋轉。

修改頂點著色器包含像上面指定的統一緩衝區對象uniform buffer object。假設大家比較熟悉MVP變換。如果不是這樣，可以看第一章中提到的內容了解。

#version 450
#extension GL_ARB_separate_shader_objects : enable

layout(binding = 0) uniform UniformBufferObject {
mat4 model;
mat4 view;
mat4 proj;
} ubo;

layout(location = 0) in vec2 inPosition;
layout(location = 1) in vec3 inColor;

layout(location = 0) out vec3 fragColor;

out gl_PerVertex {
vec4 gl_Position;
};

void main {
gl_Position = ubo.proj * ubo.view * ubo.model * vec4(inPosition, 0.0, 1.0);
fragColor = inColor;
}

需要注意的是uniform,in和out它們聲明的順序無關緊要。binding指令與location屬性指令類似。我們將在描述符布局中引用此綁定。gl_Position使用變換矩陣計算裁剪坐標中最終的位置信息。

下一步在C++應用層定義UBO數據結構，並告知Vulkan在頂點著色器使用該描述符。

struct UniformBufferObject {
glm::mat4 model;
glm::mat4 view;
glm::mat4 proj;
};

我們可以使用GLM中的與著色器中結構體完全匹配的數據類型。矩陣中的數據與著色器預期的二進位數據兼容，所以我們可以稍後將一個UniformBufferObject通過memcpy拷貝到VkBuffer中。

我們需要在管線創建時，為著色器提供關於每個描述符綁定的詳細信息，就像我們為每個頂點屬性和location索引做的一樣。我們添加一個新的函數來定義所有這些名為createDescritorSetLayout的信息。考慮到我們會在管線中使用，它應該在管線創建函數之前調用。

void initVulkan {
...
createDescriptorSetLayout;
createGraphicsPipeline;
...
}

...

void createDescriptorSetLayout {

}

每個綁定都會通過VkDescriptorSetLayoutBinding結構體描述。

void createDescriptorSetLayout {
VkDescriptorSetLayoutBinding uboLayoutBinding = {};
uboLayoutBinding.binding = 0;
uboLayoutBinding.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER;
uboLayoutBinding.descriptorCount = 1;
}

前兩個欄位指定著色器中使用的binding和描述符類型，它是一個UBO。著色器變數可以表示UBO數組，descriptorCount指定數組中的數值。比如，這可以用於骨骼動畫中的每個骨骼變換。我們的MVP 變換是一個單UBO對象，所以我們使用descriptorCount為1。

uboLayoutBinding.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;

我們也需要指定描述符在著色器哪個階段被引用。stageFlags欄位可以是VkShaderStage標誌位或VK_SHADER_STAGE_ALL_GRAPHICS的組合。在我們的例子中，我們僅僅在頂點著色器中使用描述符。

uboLayoutBinding.pImmutableSamplers = nullptr; // Optional

pImmutableSamplers欄位僅僅與圖像採樣的描述符有關，我們會在後面的內容討論。現在可以設置為默認值。

所有的描述符綁定都會被組合在一個單獨的VkDescriptorSetLayout對象。定義一個新的類成員變數pipelineLayout：

VkDescriptorSetLayout descriptorSetLayout;
VkPipelineLayout pipelineLayout;

我們使用vkCreateDescriptorSetLayout創建。這個函數接受一個簡單的結構體VkDescriptorSetLayoutCreateInfo，該結構體持有一個綁定數組。

VkDescriptorSetLayoutCreateInfo layoutInfo = {};
layoutInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_SET_LAYOUT_CREATE_INFO;
layoutInfo.bindingCount = 1;
layoutInfo.pBindings = &uboLayoutBinding;

if (vkCreateDescriptorSetLayout(device, &layoutInfo, nullptr, &descriptorSetLayout) != VK_SUCCESS) {
throw std::runtime_error("failed to create descriptor set layout!");
}

我們需要在創建管線的時候指定描述符集合的布局，用以告知Vulkan著色器將要使用的描述符。描述符布局在管線布局對象中指定。修改VkPipelineLayoutCreateInfo引用布局對象：

VkPipelineLayoutCreateInfo pipelineLayoutInfo = {};
pipelineLayoutInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_LAYOUT_CREATE_INFO;
pipelineLayoutInfo.setLayoutCount = 1;
pipelineLayoutInfo.pSetLayouts = &descriptorSetLayout;

到這裡可能會有疑問，為什麼可以在這裡指定那麼多的描述符布局集合，因為一個包含了所有的綁定。我們將在下一章回顧一下，我們將在其中查看描述符對象池和描述符集合。

描述符布局應該在程序退出前始終有效：

void cleanup {
cleanupSwapChain;

vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr);

...
}

Uniform buffer

在下一章節我們會為著色器重點包含UBO的緩衝區，但是首先要創建該緩衝區。在每一幀中我們需要拷貝新的數據到UBO緩衝區，所以存在一個暫存緩衝區是沒有意義的。在這種情況下，它只會增加額外的開銷，並且可能降低性能而不是提升性能。

添加類成員uniformBuffer和uniformBufferMemory：

VkBuffer indexBuffer;
VkDeviceMemory indexBufferMemory;

VkBuffer uniformBuffer;
VkDeviceMemory uniformBufferMemory;

同樣需要添加新的函數createUniformBuffer來分配緩衝區，並在createIndexBuffer之後調用。

void initVulkan {
...
createVertexBuffer;
createIndexBuffer;
createUniformBuffer;
...
}

...

void createUniformBuffer {
VkDeviceSize bufferSize = sizeof(UniformBufferObject);
createBuffer(bufferSize, VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT, VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT | VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT, uniformBuffer, uniformBufferMemory);
}

我們要寫一個單獨的函數來更新uniform緩衝區，確保每一幀都有更新，所以在這裡不會有vkMapMemory。UBO的數據將被用於所有的繪製使用，所以包含它的緩衝區只能在最後銷毀：

void cleanup {
cleanupSwapChain;

vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr);
vkDestroyBuffer(device, uniformBuffer, nullptr);
vkFreeMemory(device, uniformBufferMemory, nullptr);

...
}

Updating uniform data

添加新的函數updateUniformBuffer並在main loop中調用：

void mainLoop {
while (!glfwWindowShouldClose(window)) {
glfwPollEvents;

updateUniformBuffer;
drawFrame;
}

vkDeviceWaitIdle(device);
}

...

void updateUniformBuffer {

}

該函數會在每一幀中創建新的變換矩陣以確保幾何圖形旋轉。我們需要引入新的頭文件使用該功能：

#define GLM_FORCE_RADIANS
#include
#include

#include

glm/gtc/matrix_transform.cpp頭文件對外提供用於生成模型變換矩陣的gl::rotate，視圖變換矩陣的glm:lookAt和 投影變換矩陣的glm::perspective。GLM_FORCE_RADIANS定義是必要的，它確保像glm::rotate這樣的函數使用弧度製作為參數，以避免任何可能的混淆。

chrono標準庫的頭文件對外提供計時功能。我們將使用它來確保集合旋轉每秒90度，無論幀率如何。

void updateUniformBuffer {
static auto startTime = std::chrono::high_resolution_clock::now;

auto currentTime = std::chrono::high_resolution_clock::now;
float time = std::chrono::duration_cast(currentTime - startTime).count / 1000.0f;
}

updateUniformBuffer函數將有關時間計算的邏輯開始，它會以毫秒級的精度計算渲染開始後的時間(秒為單位)。如果需要更準確的時間，則可以使用std::chrono::microseconds併除以1e6f，這是1000000.0的縮寫。

我們在UBO中定義模型，視圖和投影變換矩陣。模型變換將會圍繞Z-axis旋轉，並使用 time變數更新旋轉角度：

UniformBufferObject ubo = {};
ubo.model = glm::rotate(glm::mat4, time * glm::radians(90.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));

glm::rotate函數對現有的變換矩陣進行旋轉，它使用旋轉角度和旋轉軸作為參數。glm::mat4默認的構造返回歸一化的矩陣。使用time * glm::radians(90.0f)可以實現每秒90度的旋轉目的。

ubo.view = glm::lookAt(glm::vec3(2.0f, 2.0f, 2.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 0.0f), glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f));

對於視圖變換，我們決定以45度從上觀察幾何圖形。glm::lookAt函數以眼睛位置，中心位置和上方向為參數。

ubo.proj = glm::perspective(glm::radians(45.0f), swapChainExtent.width / (float) swapChainExtent.height, 0.1f, 10.0f);

選擇使用FOV為45度的透視投影。其他參數是寬高比，近裁剪面和遠裁剪面。重要的是使用當前的交換鏈擴展來計算寬高比，以便在窗體調整大小後參考最新的窗體寬度和高度。

ubo.proj[1][1] *= -1;

GLM最初是為OpenGL設計的，它的裁剪坐標的Y是反轉的。修正該問題的最簡單的方法是在投影矩陣中Y軸的縮放因子反轉。如果不這樣做圖像會被倒置。

現在定義了所有的變換，所以我們可以將UBO中的數據複製到uniform緩衝區。這與我們對頂點緩衝區的操作完全相同，除了沒有暫存緩衝區：

void* data;
vkMapMemory(device, uniformBufferMemory, 0, sizeof(ubo), 0, &data);
memcpy(data, &ubo, sizeof(ubo));
vkUnmapMemory(device, uniformBufferMemory);

使用UBO將並不是經常變化的值傳遞給著色器是非常有效的方式。相比傳遞一個更小的數據緩衝區到著色器中，更有有效的方式是使用常量。我們在未來的章節中會看到這些。

在下一章節我們會討論描述符集合，它會將VkBuffer綁定到uniform緩衝區描述符，最終著色器可以訪問變換矩陣等數據。

項目代碼 GitHub地址。

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