Vulkan 描述符佈局和緩衝區

Vulkan 描述符佈局和緩衝區，在Vulkan中正確處理此問題的途徑是使用資源描述符(resource descriptors)。描述符是着色器自由訪問緩衝區和圖像資源的一種方式。我們需要設置一個包含轉換矩陣的緩衝區，並使頂點着色器通過描述符訪問它們。

一、簡介

我們現在可以將任意屬性傳遞給每個頂點的頂點着色器使用。但是全局變量呢？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。我們可以將其包含爲頂點數據，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(resource descriptors)。描述符是着色器自由訪問緩衝區和圖像資源的一種方式。我們需要設置一個包含轉換矩陣的緩衝區，並使頂點着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佈局結構
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

描述符佈局(descriptor layout)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(descriptor set)指定將綁定到描述符的實際緩衝區或映射資源。就像幀緩衝區爲綁定渲染通道的附件而指定實際的圖像視圖一樣。描述符集合會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，我們希望頂點着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並在頂點着色器中通過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。

二、頂點着色器

修改頂點着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，可以查看前面章節中提到的內容。

#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。我們將在描述符佈局中引用此綁定。使用gl_Position的行更改爲使用變換矩陣計算裁剪座標的最終位置。與2D三角形不同，最後一個裁剪座標的分量也許不是 1當轉換爲屏幕上的最終歸一化設備座標時，會導除法不一致。這用於透視投影作爲透視除法perspective division 並且對於使更近的無題看起來比對於遠處的物體更大。

三、描述符佈局

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

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

我們可以使用GLM中的與着色器中結構體完全匹配的數據類型。矩陣中的數據與着色器預期的二進制數據兼容，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，爲着色器提供關於每個描述符綁定的詳細信息，就像我們爲每個頂點屬性和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爲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;
}

前兩個字段指定着色器中使用的binding和描述符類型，它是一個UBO。着色器變量可以表示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爲1。

uboLayoutBinding.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;

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

uboLayoutBinding.pImmutableSamplers = nullptr; // Optional

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

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量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佈局，用以告知Vulkan着色器將要使用的描述符。描述符佈局在管線佈局對象中指定。修改VkPipelineLayoutCreateInfo引用佈局對象：

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

到這裏可能會有疑問，爲什麼可以在這裏指定那麼多的描述符佈局集合，因爲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。

描述符佈局應該在程序退出前始終有效：

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr);

    ...
}

四、Uniform 緩衝區

在下一章節我們會爲着色器重點包含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，所以在這裏不會有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燬：

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

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

    ...
}

五、更新 uniform 數據

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 <glm/glm.hpp>
#include <glm/gtc/matrix_transform.hpp>

#include <chrono>

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爲參數，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<std::chrono::milliseconds>(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(秒爲單位)。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變量更新旋轉角度：

UniformBufferObject ubo = {};
ubo.model = glm::rotate(glm::mat4(1.0f), 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爲參數。glm::mat4(1.0f)的構造器返回歸一化的矩陣。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，中心位置和上方向爲參數。

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

選擇使用FOV爲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最初是爲OpenGL設計的，它的裁剪座標的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着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着色器中，更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，最終着色器可以訪問變換矩陣等數據。

Vulkan填坑學習Day22—描述符佈局和緩衝區

Vulkan 描述符佈局和緩衝區

一、簡介

二、頂點着色器

三、描述符佈局

四、Uniform 緩衝區

五、更新 uniform 數據

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