索引缓冲区

简介

您在实际应用程序中渲染的 3D 网格通常会在多个三角形之间共享顶点。即使是绘制一个简单的矩形，也会发生这种情况。

vertex vs index

绘制一个矩形需要两个三角形，这意味着我们需要一个包含 6 个顶点的顶点缓冲区。问题是，两个顶点的数据需要重复，导致 50% 的冗余。对于更复杂的网格，情况只会更糟，其中顶点平均在 3 个三角形中重用。解决此问题的方法是使用索引缓冲区。

索引缓冲区本质上是一个指向顶点缓冲区的指针数组。它允许您重新排列顶点数据，并为多个顶点重用现有数据。上面的图示演示了如果我们的顶点缓冲区包含四个唯一顶点，则矩形的索引缓冲区会是什么样子。前三个索引定义右上角的三角形，最后三个索引定义左下角三角形的顶点。

索引缓冲区创建

在本章中，我们将修改顶点数据并添加索引数据来绘制像图中一样的矩形。修改顶点数据以表示四个角

const std::vector<Vertex> vertices = {
    {{-0.5f, -0.5f}, {1.0f, 0.0f, 0.0f}},
    {{0.5f, -0.5f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f}},
    {{0.5f, 0.5f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f}},
    {{-0.5f, 0.5f}, {1.0f, 1.0f, 1.0f}}
};

左上角是红色，右上角是绿色，右下角是蓝色，左下角是白色。我们将添加一个新的数组 indices 来表示索引缓冲区的内容。它应该与图示中的索引匹配，以绘制右上角的三角形和左下角的三角形。

const std::vector<uint16_t> indices = {
    0, 1, 2, 2, 3, 0
};

您可以为索引缓冲区使用 uint16_t 或 uint32_t，具体取决于 vertices 中条目的数量。我们现在可以坚持使用 uint16_t，因为我们使用的唯一顶点少于 65535 个。

就像顶点数据一样，索引也需要上传到 VkBuffer 中，以便 GPU 能够访问它们。定义两个新的类成员来保存索引缓冲区的资源

VkBuffer vertexBuffer;
VkDeviceMemory vertexBufferMemory;
VkBuffer indexBuffer;
VkDeviceMemory indexBufferMemory;

我们现在要添加的 createIndexBuffer 函数与 createVertexBuffer 几乎相同

void initVulkan() {
    ...
    createVertexBuffer();
    createIndexBuffer();
    ...
}

void createIndexBuffer() {
    VkDeviceSize bufferSize = sizeof(indices[0]) * indices.size();

    VkBuffer stagingBuffer;
    VkDeviceMemory stagingBufferMemory;
    createBuffer(bufferSize, VK_BUFFER_USAGE_TRANSFER_SRC_BIT, VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT | VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT, stagingBuffer, stagingBufferMemory);

    void* data;
    vkMapMemory(device, stagingBufferMemory, 0, bufferSize, 0, &data);
    memcpy(data, indices.data(), (size_t) bufferSize);
    vkUnmapMemory(device, stagingBufferMemory);

    createBuffer(bufferSize, VK_BUFFER_USAGE_TRANSFER_DST_BIT | VK_BUFFER_USAGE_INDEX_BUFFER_BIT, VK_MEMORY_PROPERTY_DEVICE_LOCAL_BIT, indexBuffer, indexBufferMemory);

    copyBuffer(stagingBuffer, indexBuffer, bufferSize);

    vkDestroyBuffer(device, stagingBuffer, nullptr);
    vkFreeMemory(device, stagingBufferMemory, nullptr);
}

只有两个明显的区别。 bufferSize 现在等于索引的数量乘以索引类型的大小，即 uint16_t 或 uint32_t。 indexBuffer 的用法应该是 VK_BUFFER_USAGE_INDEX_BUFFER_BIT 而不是 VK_BUFFER_USAGE_VERTEX_BUFFER_BIT，这很合理。除此之外，过程完全相同。我们创建一个暂存缓冲区，将 indices 的内容复制到该缓冲区，然后将其复制到最终的设备本地索引缓冲区。

索引缓冲区应该在程序结束时清理，就像顶点缓冲区一样

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroyBuffer(device, indexBuffer, nullptr);
    vkFreeMemory(device, indexBufferMemory, nullptr);

    vkDestroyBuffer(device, vertexBuffer, nullptr);
    vkFreeMemory(device, vertexBufferMemory, nullptr);

    ...
}

使用索引缓冲区

使用索引缓冲区进行绘制需要对 recordCommandBuffer 进行两处更改。我们首先需要绑定索引缓冲区，就像我们对顶点缓冲区所做的那样。不同之处在于您只能有一个索引缓冲区。不幸的是，不可能为每个顶点属性使用不同的索引，所以即使只有一个属性变化，我们仍然必须完全复制顶点数据。

vkCmdBindVertexBuffers(commandBuffer, 0, 1, vertexBuffers, offsets);

vkCmdBindIndexBuffer(commandBuffer, indexBuffer, 0, VK_INDEX_TYPE_UINT16);

索引缓冲区使用 vkCmdBindIndexBuffer 绑定，该函数具有索引缓冲区、其中的字节偏移量和索引数据类型作为参数。如前所述，可能的类型是 VK_INDEX_TYPE_UINT16 和 VK_INDEX_TYPE_UINT32。

仅仅绑定索引缓冲区还不会有任何变化，我们还需要更改绘图命令以告诉 Vulkan 使用索引缓冲区。删除 vkCmdDraw 行，并将其替换为 vkCmdDrawIndexed

vkCmdDrawIndexed(commandBuffer, static_cast<uint32_t>(indices.size()), 1, 0, 0, 0);

对此函数的调用与 vkCmdDraw 非常相似。前两个参数指定索引的数量和实例的数量。我们不使用实例化，所以只需指定 1 个实例。索引的数量表示将传递给顶点着色器的顶点数量。下一个参数指定索引缓冲区中的偏移量，使用值 1 将导致显卡从第二个索引开始读取。倒数第二个参数指定在索引到顶点缓冲区之前要添加到顶点索引的偏移量。最后一个参数指定实例化的偏移量，我们没有使用它。

现在运行您的程序，您应该看到以下内容

indexed rectangle

您现在知道如何通过使用索引缓冲区来重用顶点来节省内存。这在以后的章节中变得尤为重要，在以后的章节中我们将加载复杂的 3D 模型。

上一章已经提到，您应该从单个内存分配中分配多个资源，如缓冲区，但实际上您应该更进一步。 驱动程序开发人员建议 您还将多个缓冲区（如顶点和索引缓冲区）存储到单个 VkBuffer 中，并在诸如 vkCmdBindVertexBuffers 之类的命令中使用偏移量。 优点是，在这种情况下，您的数据更适合缓存，因为它更靠近在一起。 如果多个资源在同一渲染操作期间不使用，则甚至可以重用同一块内存，当然前提是它们的数据已刷新。 这被称为别名，并且某些 Vulkan 函数具有显式标志来指定您想要执行此操作。

在下一章中，我们将学习如何将频繁更改的参数传递给 GPU。

C++ 代码 / 顶点着色器 / 片段着色器