Vulkan填坑學習Day25—圖像視圖和採樣器

Vulkan 圖像視圖和採樣器

Vulkan 圖像視圖和採樣器，在本章節我們將爲圖形管線創建另外兩個資源來對圖像進行採樣。第一個資源我們之前已經接觸過了，就是交換鏈，但是第二個資源比較新，它涉及着色器如何從圖像中讀取紋素。

一、紋理圖像視圖

我們之前看過交換鏈和幀緩衝區，圖像不是直接訪問，而是通過圖像視圖。我們也會藉助圖像視圖來訪問紋理圖像。

添加一個類成員變量vkImageView保存紋理圖像，並且創建新的函數createTextureImageView：

VkImageView textureImageView;

...

void initVulkan() {
    ...
    createTextureImage();
    createTextureImageView();
    createVertexBuffer();
    ...
}

...

void createTextureImageView() {

}

函數中的代碼可以主要基於createImageViews。僅有的兩個變化是format和image字段：

VkImageViewCreateInfo viewInfo = {};
viewInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_VIEW_CREATE_INFO;
viewInfo.image = textureImage;
viewInfo.viewType = VK_IMAGE_VIEW_TYPE_2D;
viewInfo.format = VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;
viewInfo.subresourceRange.aspectMask = VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT;
viewInfo.subresourceRange.baseMipLevel = 0;
viewInfo.subresourceRange.levelCount = 1;
viewInfo.subresourceRange.baseArrayLayer = 0;
viewInfo.subresourceRange.layerCount = 1;

這裏已經省略了顯示的 viewInfo.components 初始化，因爲VK_COMPONET_SWIZZLE_IDENTITY被定義爲0。最後在函數中通過調用vkCreateImageView完成圖像視圖的創建：

if (vkCreateImageView(device, &viewInfo, nullptr, &textureImageView) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create texture image view!");
}

因爲很多邏輯都是從createImageViews複製過來的，所以可以抽象一個新的函數createImageView封裝該部分邏輯。

VkImageView createImageView(VkImage image, VkFormat format) {
    VkImageViewCreateInfo viewInfo = {};
    viewInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_VIEW_CREATE_INFO;
    viewInfo.image = image;
    viewInfo.viewType = VK_IMAGE_VIEW_TYPE_2D;
    viewInfo.format = format;
    viewInfo.subresourceRange.aspectMask = VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT;
    viewInfo.subresourceRange.baseMipLevel = 0;
    viewInfo.subresourceRange.levelCount = 1;
    viewInfo.subresourceRange.baseArrayLayer = 0;
    viewInfo.subresourceRange.layerCount = 1;

    VkImageView imageView;
    if (vkCreateImageView(device, &viewInfo, nullptr, &imageView) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create texture image view!");
    }

    return imageView;
}

createTextureImageView函數可以簡化爲：

void createTextureImageView() {
    textureImageView = createImageView(textureImage, VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM);
}

createImageViews可以簡化爲：

void createImageViews() {
    swapChainImageViews.resize(swapChainImages.size());

    for (uint32_t i = 0; i < swapChainImages.size(); i++) {
        swapChainImageViews[i] = createImageView(swapChainImages[i], swapChainImageFormat);
    }
}

確保程序退出的時候銷燬圖像視圖，並在銷燬圖像本身前清理圖像視圖。

二、採樣器

着色器直接從圖像中讀取紋素是可以的，但是當它們作爲紋理圖像的時候並不常見。紋理圖像通常使用採樣器來訪問，應用過濾器和變換來計算最終的顏色。

這些過濾器有助於處理超載採樣的問題。考慮一個映射到幾何圖形的紋理圖像，擁有比紋素更多的片元。如果只是在每個片段中使用最接近的紋理座標，那麼會獲得第一個圖像的結果：

如果混合最近的四個紋素通過顯性插值，我們會看到更加平滑的結果，如右圖所示。當然，應用程序可能具有符合左側風格的藝術要求(比如Minecraft)，但是常規的圖形應用程序中更傾向右側的效果。當從紋理中讀取一個顏色的時候，採樣器自動應用過濾器。

如果採樣負載採樣也會造成問題。當採樣頻率過高的時候，比如對於棋盤的紋理進行採樣，會導致在有銳度角的地方產生幻影。

如作左側圖示，順着距離的變化，紋理變的模糊且混亂的。解決方案是各向異性過濾anisotropic filtering，它會自動被採樣器應用。

除了這些過濾器，採樣器也參與變換。當嘗試讀取圖像外的紋素的時候，採用什麼 addressing mode 尋址模式 。下圖顯示了一些可能的模式：

添加新函數createTextureSampler配置採樣器對象。我們稍後會使用它從着色器中讀取顏色。

void initVulkan() {
    ...
    createTextureImage();
    createTextureImageView();
    createTextureSampler();
    ...
}

...

void createTextureSampler() {

}

採樣器通過VkSamplerCreateInfo結構體配置，它用來指定將要應用的過濾器和變換。

VkSamplerCreateInfo samplerInfo = {};
samplerInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SAMPLER_CREATE_INFO;
samplerInfo.magFilter = VK_FILTER_LINEAR;
samplerInfo.minFilter = VK_FILTER_LINEAR;

magFilter和minFilter過濾器字段指定紋素放大和縮小內插值方式。放大關注上文描述的超採樣問題，縮小關注負載採樣的問題。VK_FILTER_NEAREST和VK_FILTER_LINEAR是可選的選項，對應上面圖片紕漏的模式。

samplerInfo.addressModeU = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;
samplerInfo.addressModeV = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;
samplerInfo.addressModeW = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;

可以使用addressMode字段指定每個軸向使用的尋址模式。有效的值列在下方。大多數在圖像中已經解釋說明過了。需要注意的是軸向在這裏稱爲 U，V 和 W 代替 X，Y 和 Z。這是紋理空間座標的約定。

• VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT：當超過圖像尺寸的時候採用循環填充。
• VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_MIRRORED_REPEAT：與循環模式類似，但是當超過圖像尺寸的時候，它採用反向鏡像效果。
• VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_EDGE：當超過圖像尺寸的時候，採用邊緣最近的顏色進行填充。
• VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_MIRROR_CLAMP_TOEDGE：與邊緣模式類似，但是使用與最近邊緣相反的邊緣進行填充。
• VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_BORDER：當採樣超過圖像的尺寸時，返回一個純色填充。

在這裏使用什麼樣的尋址模式並不重要，因爲我們不會在圖像之外進行採樣。但是循環模式是普遍使用的一種模式，因爲它可以用來實現諸如瓦片地面和牆面的紋理效果。

samplerInfo.anisotropyEnable = VK_TRUE;
samplerInfo.maxAnisotropy = 16;

這兩個字段指定是否使用各向異性過濾器。沒有理由不使用該特性，除非性能是一個問題。maxAnisotropy字段限制可用於計算最終顏色的紋素採樣的數量。低的數值會得到比較好的性能，但是會得到較差的質量。當前沒有任何的圖形硬件可以使用超過16個採樣器，因爲與其超過16個採樣器之間的差異可以忽略不計。

samplerInfo.borderColor = VK_BORDER_COLOR_INT_OPAQUE_BLACK;

borderColor字段指定採樣範圍超過圖像時候返回的顏色，與之對應的是邊緣尋址模式。可以以float或者int格式返回黑色，白色或者透明度。但是不能指定任意顏色。

samplerInfo.unnormalizedCoordinates = VK_FALSE;

unnormalizedCoordinates字段指定使用的座標系統，用於訪問圖像的紋素。如果字段爲VK_TRUE，意味着可以簡單的使用座標範圍爲 [ 0, texWidth ) 和 [ 0, texHeight )。如果使用VK_FALSE，意味着每個軸向紋素訪問使用 [ 0, 1) 範圍。真實的應用程序總是使用歸一化的座標。因爲這樣可以使用完全相同座標的不同分辨率的紋理。

samplerInfo.compareEnable = VK_FALSE;
samplerInfo.compareOp = VK_COMPARE_OP_ALWAYS;

如果開啓比較功能，那麼紋素首先和值進行比較，並且比較後的值用於過濾操作。主要用在陰影紋理映射的percentage-closer filtering 即百分比近似過濾器。我們會在未來的章節中看到。

samplerInfo.mipmapMode = VK_SAMPLER_MIPMAP_MODE_LINEAR;
samplerInfo.mipLodBias = 0.0f;
samplerInfo.minLod = 0.0f;
samplerInfo.maxLod = 0.0f;

所有這些字段應用在mipmapping。mipmapping也在未來章節中看到，但是基本的它可以應用另一種濾波器。

採樣器的功能現在已經完整的定義了。添加類成員持有采樣器對象的引用並通過vkCreateSampler創建採樣器：

VkImageView textureImageView;
VkSampler textureSampler;

...

void createTextureSampler() {
    ...

    if (vkCreateSampler(device, &samplerInfo, nullptr, &textureSampler) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create texture sampler!");
    }
}

需要注意的是採樣器沒有任何地方引用VkImage。採樣器是一個獨特的對象，它提供了從紋理中提取顏色的接口。它可以應用在任何你期望的圖像中，無論是1D，2D，或者是3D。也與之前很多舊的API是不同的，後者將紋理圖像與過濾器混合成單一狀態。

在程序的最後且不再訪問圖像的時候，銷燬採樣器：

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroySampler(device, textureSampler, nullptr);
    vkDestroyImageView(device, textureImageView, nullptr);

    ...
}

三、各向異性濾波器

如果現在運行程序，你會看到validation layer消息如下：

這是因爲各向異性濾波器是一個可選的特性。我們需要更新createLogicalDevice函數請求它：

VkPhysicalDeviceFeatures deviceFeatures = {};
deviceFeatures.samplerAnisotropy = VK_TRUE;

並且儘管現在的圖形卡不太可能不支持該功能，但建議仍然更新isDeviceSuitable函數去檢測是否有效：

bool isDeviceSuitable(VkPhysicalDevice device) {
    ...

    VkPhysicalDeviceFeatures supportedFeatures;
    vkGetPhysicalDeviceFeatures(device, &supportedFeatures);

    return indices.isComplete() && extensionsSupported && supportedFeatures.samplerAnisotropy;
}

vkGetPhysicalDeviceFeatures將VkPhysicalDeviceFeatures結構重新定義，指定哪些特性被支持而不是通過設置boolean值來請求。

如果不是強制使用各向異性濾波器，也可以簡單的通過條件設定來不使用它：

samplerInfo.anisotropyEnable = VK_FALSE;
samplerInfo.maxAnisotropy = 1;

下一章我們將圖像與採樣器對象公開到着色器中，繪製紋理到正方形上。