顶点输入描述

前言

在后面几章，我们将使用内存中的顶点缓冲区(vertex buffers)数据代替Shader中的硬编码数据。

图形管线的第一个阶段是输入装配，如果你回顾“图形管线-固定功能”章节，会看到一个“顶点输入”模块。我们要做的是将顶点数据放入顶点缓冲区，然后将此缓冲区绑定到管线的顶点输入。

我们将从最简单的方式开始，创建主机(CPU)可见缓冲区然后直接用 memcpy 将顶点数据复制进去。之后我们将了解如何使用暂存缓冲区(staging buffers)将顶点数据复制进高性能显存中。

关于顶点输入：Vulkan-Guide [Vertex Input]

顶点着色器

首先我们需要改变顶点着色器的代码，不再包含硬编码的顶点数据。顶点数据将从外部获取，通过 in 关键字：

#version 450

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

layout(location = 0) out vec3 fragColor;

void main() {
    gl_Position = vec4(inPosition, 0.0, 1.0);
    fragColor = inColor;
}

inPosition 和 inColor 是顶点参数，这些数据将从管线的顶点输入获取。

我们之前提过，一个 location 只能放一个资源，所以我们的位置和颜色信息需要放在不同的 location 中。注意 inPosition 是“顶点输入->顶点着色器”， fragColor 是“顶点着色器->片段着色器”，所以二者不冲突。

特殊的是，通常一个“槽位”最多支持 16 字节，因此某些类型需要多个“槽位”。比如使用dvec3时，后一个变量的索引至少要高 2 ：

layout(location = 0) in dvec3 inPosition;
layout(location = 2) in vec3 inColor;

您可以在 OpenGL wiki 中找到有关 layout 限定符的更多信息。

顶点数据

现在回到C++代码，我们要将顶点数据从着色器代码移动到 C++ 代码的数组中。

首先导入 GLM 库头文件，此库包含线性代数所需的工具，比如向量和矩阵。我们将使用这些类型来指定位置和颜色向量。

#include <glm/glm.hpp>

现在创建一个新的结构体Vertex用于存放顶点数据

struct Vertex {
    glm::vec2 pos;
    glm::vec3 color;
};

GLM 提供的 C++ 类型的内存布局与着色器中的类型完全匹配，这让我们无需调整位域信息。

现在使用 Vertex 结构来指定顶点数据数组。

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

我们使用的位置和颜色值与之前完全相同，但现在它们组合成一个顶点数组，这被称为“交错顶点属性”。

下一步要告诉 Vulkan 这些数据绑定到顶点输入后如何传递给顶点着色器。我们需要两个结构体传达这些信息。

绑定描述

第一个结构体是 vk::VertexInputBindingDescription ，添加一个静态成员函数用于填充信息：

struct Vertex {
    glm::vec2 pos;
    glm::vec3 color;

    static vk::VertexInputBindingDescription getBindingDescription() {
        vk::VertexInputBindingDescription bindingDescription;

        return bindingDescription;
    }
};

顶点输入可以一次性绑定多个缓冲区，用一个数组表示，使用 binding 字段指定缓冲区索引。我们目前只有一个缓冲区，所以这个缓冲区将在数组的 0 号位：

bindingDescription.binding = 0;

具体的缓冲区数组将在下一节创建。

“绑定描述”结构体主要描述了顶点着色器从输入的缓冲区中加载数据的“速率”。它规定了单个数据条目的字节数，以及要在每个顶点还是每个实例时切换一条数据：

bindingDescription.stride = sizeof(Vertex);
bindingDescription.inputRate = vk::VertexInputRate::eVertex;

stride参数则指定一个条目的字节数，inputRate 参数具有以下两种枚举值：

`vk::VertexInputRate`	意义
`eVertex`	在处理每个顶点时读取一条
`eInstance`	在处理每个实例时读取一条

实例化渲染会在后续章节介绍，我们的缓冲区存放顶点数据，所以使用 eVertex 。

属性描述

第二个结构体是 vk::VertexInputAttributeDescription ，它描述了如何处理顶点的输入数据。

我们在顶点着色器中使用了两个 location ，分别接收两种不同类型的数据。而“属性描述”结构体做的就是这件事，将 C++ 类中的数据与顶点着色器中的数据一一对应，每块数据的大小以及对应哪个 location 。

我们依然添加一个静态成员函数：

// ......
static std::array<vk::VertexInputAttributeDescription, 2>  getAttributeDescriptions() {
    std::array<vk::VertexInputAttributeDescription, 2> attributeDescriptions;

    return attributeDescriptions;
}

一般而言，一个“属性描述”对应着色器中的一个 location ，所以我们需要两个属性描述。

第一个字段是 binding ，它的作用和“绑定描述”中的完全一致，你应该指定相同的值：

attributeDescriptions[0].binding = 0;

顶点输入需要三个数组，缓冲区数组+绑定描述数组+参数描述数组，因此每个绑定描述和参数描述都需要指定对应的缓冲区索引。

然后设置实际的属性信息：

attributeDescriptions[0].location = 0;
attributeDescriptions[0].format = vk::Format::eR32G32Sfloat;
attributeDescriptions[0].offset = offsetof(Vertex, pos);

location 参数对应着色器中的 layout(location = ...) 。
format 参数表示了数据的格式，特殊的是需要使用颜色格式的枚举值。下面给出常见shader格式与颜色枚举的对应关系，你应该能够理解对应关系：

Shader类型	颜色格式枚举	说明
`float`	`vk::Format::eR32Sfloat`	32位浮点数，刚好一个R32。
`double`	`vk::Format::eR64Sfloat`	64位浮点数，刚好一个R64。
`vec2`	`vk::Format::eR32G32Sfloat`	两个32位浮点，对应RG双通道。
`vec3`	`vk::Format::eR32G32B32Sfloat`	三个对应三通道。
`vec4`	`vk::Format::eR32G32B32A32Sfloat`	四个对应四通道。
`ivec2`	`vk::Format::eR32G32Sint`	S表示有符号，int表示类型。
`uvec4`	`vk::Format::eR32G32B32A32Uint`	U表示无符号数。

offset 参数指定了当前数据段的开始位置对应的偏移量，我们使用C/C++的标准宏offsetof获取偏移量信息。

色彩属性用类似的方式描述：

attributeDescriptions[1].binding = 0;
attributeDescriptions[1].location = 1;
attributeDescriptions[1].format = vk::Format::eR32G32B32Sfloat;
attributeDescriptions[1].offset = offsetof(Vertex, color);

注意这里的 format 对应的是 vec3 。

管线顶点输入

我们现在需要设置图形管线的配置，让它接收这些数据。现在修改 createGraphicsPipeline 函数，找到 vertexInputInfo 变量并添加信息：

vk::PipelineVertexInputStateCreateInfo vertexInputInfo;

const auto bindingDescription = Vertex::getBindingDescription();
const auto attributeDescriptions = Vertex::getAttributeDescriptions();
// 使用setter自动代理数组，同时填充开始指针和数量两个成员变量
vertexInputInfo.setVertexBindingDescriptions(bindingDescription);
vertexInputInfo.setVertexAttributeDescriptions(attributeDescriptions);