描述符布局和缓冲区

简介

我们现在能够为每个顶点向顶点着色器传递任意属性，但是全局变量呢？ 从本章开始，我们将转向 3D 图形，这需要一个模型-视图-投影矩阵。 我们可以将其作为顶点数据包含在内，但这会浪费内存，并且每当变换更改时，都需要更新顶点缓冲区。 变换很容易在每一帧都发生变化。

在 Vulkan 中解决此问题的正确方法是使用资源描述符。描述符是着色器自由访问缓冲区和图像等资源的一种方式。 我们将设置一个包含变换矩阵的缓冲区，并让顶点着色器通过描述符访问它们。 描述符的使用包括三个部分

  • 在管线创建期间指定描述符集布局

  • 从描述符池中分配描述符集

  • 在渲染期间绑定描述符集

描述符集布局指定管线将要访问的资源类型，就像渲染通道指定将要访问的附件类型一样。描述符集指定将绑定到描述符的实际缓冲区或图像资源，就像帧缓冲指定要绑定到渲染通道附件的实际图像视图一样。然后，描述符集被绑定用于绘制命令，就像顶点缓冲区和帧缓冲一样。

有许多类型的描述符，但在本章中，我们将使用统一缓冲区对象 (UBO)。 我们将在以后的章节中研究其他类型的描述符，但基本过程是相同的。 假设我们希望顶点着色器在 C 结构中具有如下所示的数据

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

然后，我们可以将数据复制到 VkBuffer，并通过顶点着色器的统一缓冲区对象描述符访问它，如下所示

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;
}

我们将每一帧更新模型、视图和投影矩阵，以使上一章中的矩形在 3D 中旋转。

顶点着色器

修改顶点着色器以包含如上所述的统一缓冲区对象。 我假设您熟悉 MVP 变换。 如果您不熟悉，请参阅第一章中提到的资源。

#version 450

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;

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

请注意，uniform、in 和 out 声明的顺序无关紧要。 binding 指令类似于属性的 location 指令。 我们将在描述符集布局中引用此绑定。 gl_Position 行已更改为使用变换来计算剪辑坐标中的最终位置。 与 2D 三角形不同，剪辑坐标的最后一个分量可能不是 1，这将在转换为屏幕上最终归一化的设备坐标时导致除法。 这在透视投影中用作透视除法，对于使近处的物体看起来比远处的物体大至关重要。

描述符集布局

下一步是在 C++ 端定义 UBO，并告知 Vulkan 关于顶点着色器中的此描述符。

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

我们可以使用 GLM 中的数据类型完全匹配着色器中的定义。 矩阵中的数据与着色器期望的方式二进制兼容，因此我们稍后可以直接 memcpy 一个 UniformBufferObject 到 VkBuffer。

我们需要为管线创建中使用的每个描述符绑定提供详细信息，就像我们必须为每个顶点属性及其 location 索引提供详细信息一样。 我们将设置一个新函数来定义所有这些信息，称为 createDescriptorSetLayout。 它应该在管线创建之前调用，因为我们将在那里需要它。

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

...

void createDescriptorSetLayout() {

}

每个绑定都需要通过 VkDescriptorSetLayoutBinding 结构进行描述。

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

前两个字段指定着色器中使用的 binding 和描述符的类型，它是一个统一缓冲区对象。 着色器变量可以表示统一缓冲区对象的数组，descriptorCount 指定数组中值的数量。 例如，这可用于指定骨骼动画中每个骨骼的变换。 我们的 MVP 变换在单个统一缓冲区对象中，因此我们使用 descriptorCount 为 1。

uboLayoutBinding.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;

我们还需要指定在哪些着色器阶段将引用描述符。 stageFlags 字段可以是 VkShaderStageFlagBits 值的组合或值 VK_SHADER_STAGE_ALL_GRAPHICS。 在我们的例子中，我们仅从顶点着色器引用描述符。

uboLayoutBinding.pImmutableSamplers = nullptr; // Optional

pImmutableSamplers 字段仅与图像采样相关的描述符相关，我们稍后会看到。 您可以将此值保留为默认值。

所有描述符绑定都组合到单个 VkDescriptorSetLayout 对象中。 在 pipelineLayout 上方定义一个新的类成员

VkDescriptorSetLayout descriptorSetLayout;
VkPipelineLayout pipelineLayout;

然后我们可以使用 vkCreateDescriptorSetLayout 创建它。此函数接受一个简单的 VkDescriptorSetLayoutCreateInfo，其中包含绑定数组。

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!");
}

我们需要在管线创建期间指定描述符集布局，以告知 Vulkan 着色器将使用哪些描述符。描述符集布局在管线布局对象中指定。修改 VkPipelineLayoutCreateInfo 以引用布局对象。

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

你可能想知道为什么这里可以指定多个描述符集布局，因为单个布局已经包含所有绑定。我们将在下一章中回到这个问题，届时我们将研究描述符池和描述符集。

描述符集布局应该在我们可能创建新图形管线期间保持存在，即直到程序结束。

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr);

    ...
}

Uniform 缓冲区

在下一章中，我们将指定包含着色器 UBO 数据的缓冲区，但我们需要首先创建此缓冲区。我们将在每一帧将新数据复制到 uniform 缓冲区，因此使用临时缓冲区没有任何意义。在这种情况下，它只会增加额外的开销，并可能降低性能而不是提高性能。

我们应该有多个缓冲区，因为可能有多个帧同时在处理中，我们不想在先前帧仍在从中读取数据时，更新缓冲区以准备下一帧！因此，我们需要拥有与飞行中帧数一样多的 uniform 缓冲区，并写入当前未被 GPU 读取的 uniform 缓冲区。

为此，为 uniformBuffers 和 uniformBuffersMemory 添加新的类成员。

VkBuffer indexBuffer;
VkDeviceMemory indexBufferMemory;

std::vector<VkBuffer> uniformBuffers;
std::vector<VkDeviceMemory> uniformBuffersMemory;
std::vector<void*> uniformBuffersMapped;

类似地，创建一个新的函数 createUniformBuffers，该函数在 createIndexBuffer 之后调用并分配缓冲区。

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

...

void createUniformBuffers() {
    VkDeviceSize bufferSize = sizeof(UniformBufferObject);

    uniformBuffers.resize(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
    uniformBuffersMemory.resize(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
    uniformBuffersMapped.resize(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);

    for (size_t i = 0; i < MAX_FRAMES_IN_FLIGHT; i++) {
        createBuffer(bufferSize, VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT, VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT | VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT, uniformBuffers[i], uniformBuffersMemory[i]);

        vkMapMemory(device, uniformBuffersMemory[i], 0, bufferSize, 0, &uniformBuffersMapped[i]);
    }
}

我们使用 vkMapMemory 在创建后立即映射缓冲区，以获取一个指针，稍后我们可以将数据写入其中。该缓冲区在应用程序的整个生命周期中都保持映射到此指针。此技术称为“持久映射”，并且适用于所有 Vulkan 实现。不必每次需要更新缓冲区时都映射缓冲区可以提高性能，因为映射并非免费。

uniform 数据将用于所有绘制调用，因此包含该数据的缓冲区仅应在我们停止渲染时销毁。

void cleanup() {
    ...

    for (size_t i = 0; i < MAX_FRAMES_IN_FLIGHT; i++) {
        vkDestroyBuffer(device, uniformBuffers[i], nullptr);
        vkFreeMemory(device, uniformBuffersMemory[i], nullptr);
    }

    vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr);

    ...

}

更新 uniform 数据

创建一个新的函数 updateUniformBuffer，并在 drawFrame 函数中提交下一帧之前添加对其的调用。

void drawFrame() {
    ...

    updateUniformBuffer(currentFrame);

    ...

    VkSubmitInfo submitInfo{};
    submitInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SUBMIT_INFO;

    ...
}

...

void updateUniformBuffer(uint32_t currentImage) {

}

此函数将在每一帧生成一个新的转换，以使几何体旋转。我们需要包含两个新的头文件来实现此功能。

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

#include <chrono>

glm/gtc/matrix_transform.hpp 头文件公开了可用于生成模型转换（如 glm::rotate）、视图转换（如 glm::lookAt）和投影转换（如 glm::perspective）的函数。

chrono 标准库头文件公开了用于进行精确计时的函数。我们将使用它来确保几何体每秒旋转 90 度，而与帧速率无关。

void updateUniformBuffer(uint32_t currentImage) {
    static auto startTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    auto currentTime = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    float time = std::chrono::duration<float, std::chrono::seconds::period>(currentTime - startTime).count();
}

updateUniformBuffer 函数将首先使用一些逻辑来计算自渲染开始以来以秒为单位的时间（具有浮点精度）。

我们现在将在 uniform 缓冲区对象中定义模型、视图和投影转换。模型旋转将是使用 time 变量绕 Z 轴的简单旋转。

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 函数采用现有的转换、旋转角度和旋转轴作为参数。glm::mat4(1.0f) 构造函数返回一个单位矩阵。使用 time * glm::radians(90.0f) 的旋转角度可达到每秒旋转 90 度的目的。

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));

对于视图转换，我决定从上方以 45 度角查看几何体。glm::lookAt 函数采用眼睛位置、中心位置和向上轴作为参数。

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

我选择使用垂直视野为 45 度的透视投影。其他参数是宽高比、近和远视图平面。重要的是使用当前交换链范围来计算宽高比，以考虑调整大小后窗口的新宽度和高度。

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

GLM 最初是为 OpenGL 设计的，其中裁剪坐标的 Y 坐标是反转的。补偿这种情况的最简单方法是翻转投影矩阵中 Y 轴缩放因子的符号。如果不这样做，则图像将倒置渲染。

现在定义了所有转换，因此我们可以将 uniform 缓冲区对象中的数据复制到当前的 uniform 缓冲区。这与我们对顶点缓冲区所做的操作完全相同，只是没有临时缓冲区。如前所述，我们仅映射 uniform 缓冲区一次，因此我们可以直接写入它，而无需再次映射。

memcpy(uniformBuffersMapped[currentImage], &ubo, sizeof(ubo));

以这种方式使用 UBO 并不是将频繁变化的值传递到着色器的最有效方法。将小缓冲区数据传递到着色器的更有效方法是推送常量。我们可能会在以后的章节中研究这些。

在下一章中，我们将研究描述符集，它实际上会将 VkBuffer 绑定到 uniform 缓冲区描述符，以便着色器可以访问此转换数据。

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