描述符布局与缓冲

名称	含义
描述符(Descriptor)	对资源的抽象引用，告诉着色器如何访问某个资源
描述符集(DescriptorSet)	实际可用的描述符的集合
描述符集布局(DescriptorSetLayout)	定义描述符集的结构，即描述符的类型、数量和绑定点
描述符池(Descriptor Pool)	用于分配描述符集的内存池

前言

我们将从这一节开始介绍3D的图形，以及它需要的“模型-视口-投影”变换矩阵。这个矩阵很容易发生变化，比如摄像机角度的变动时就需要调整。

如果将他像顶点数据一样输入，既浪费内存又麻烦，需要经常更新双重缓冲。较好的方式是将其作为“全局变量”，对应着色器代码中的 uniform 关键字。

可以使用资源描述符(resource descriptors)允许着色器自由访问资源（比如缓冲和图片）。我们将设置一个缓冲用于存放变换矩阵，然后通过描述符允许着色器访问它。

使用描述符大致需要这三步：

创建管线时指定描述符布局
从描述符池分配标识符集
渲染时绑定描述符集

描述符的类型很多，我们这一章使用统一缓冲对象(UBO, uniform buffer objects)。后面几章会看到其他描述符类型，但它们的基本操作流程是一样的。

假如我们希望顶点缓冲有这样一个结构体：

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

那么我们可以把数据拷贝到 vk::Buffer ，然后顶点着色器通过UBO描述符访问它。像这样：

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;
}

后面我们会在每一帧更新这三个矩阵，让上一章的矩形在三维空间旋转。

顶点着色器

首先修改我们的顶点着色器代码，包含我们上面提到的统一缓冲对象(UBO)。这里假设你已经熟悉了MVP变换，这是GAMES101-现代计算机图形学入门最初几节课的内容。

#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;
}

我们使用了三个变换来获得最终的裁剪坐标。

注意uniform、in和out三中变量是声明顺序是任意的。 binding和location指令类似，我们将在描述符布局中引用此绑定。

描述符集布局

下一步要在C++代码中定义UBO然后告诉Vulkan它在顶点着色器中对应的描述符。

首先添加一个结构体：

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

我们使用GLM的类型，它的内存布局完全匹配着色器中的定义，所以我们可以直接使用memcpy。

我们需要在图形管线创建时指定描述符的细节，就像我们为顶点参数指定了location一样。现在创建一个新函数createDescriptorSetLayout，在图形管线创建之前调用：

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

...

void createDescriptorSetLayout() {

}

所有绑定都通过vk::DescriptorSetLayoutBinding结构体指定：

vk::DescriptorSetLayoutBinding uboLayoutBinding;
uboLayoutBinding.binding = 0;
uboLayoutBinding.descriptorType = vk::DescriptorType::eUniformBuffer;
uboLayoutBinding.descriptorCount = 1;

第一个参数指定绑定的位置，第二个参数指定描述符的类型。着色器变量支持数组类型的UBO，而我们只有一个对象，所以第三个参数指定为1。

我们还需要指定描述符将在哪些着色阶段被引用，使用 vk::ShaderStageFlagBits 位掩码。我们只在顶点着色器使用，所以使用eVertex：

uboLayoutBinding.stageFlags = vk::ShaderStageFlagBits::eVertex;

pImmutableSamplers 字段仅与图像采样相关的描述符有关，暂时无需设置。

我们需要使用vk::DescriptorSetLayout对象定义描述符集合的布局信息，所以我们在m_pipelineLayout上面创建新成员变量：

vk::raii::DescriptorSetLayout m_descriptorSetLayout{ nullptr };
vk::raii::PipelineLayout m_pipelineLayout{ nullptr };

下面填写CreateInfo结构体，并创建此对象：

vk::DescriptorSetLayoutCreateInfo layoutInfo;
layoutInfo.setBindings( uboLayoutBinding );

m_descriptorSetLayout = m_device.createDescriptorSetLayout( layoutInfo );

我们需要在管线创建期间指定描述符布局，现在回到 createGraphicsPipeline 函数修改 PipelineLayoutCreateInfo 以引用布局对象：

vk::PipelineLayoutCreateInfo pipelineLayoutInfo;
pipelineLayoutInfo.setSetLayouts(*m_descriptorSetLayout);
m_pipelineLayout = m_device.createPipelineLayout( pipelineLayoutInfo );

统一缓冲区

在下一章中，我们将指定包含UBO数据的缓冲区，这里我们先创建uniform缓冲区。

我们选择将每帧新数据直接复制到uniform缓冲，因此不需要暂存缓冲。（此时使用暂存缓冲只会带来额外开销、降低性能。）

我们需要多个缓冲区，因为可能有多个帧同时在飞行中，我们不想在上一帧仍在读取时更新缓冲区以准备下一帧。所以我们需要和飞行帧数一样多的uniform缓冲区，现在添加新成员：

vk::raii::DeviceMemory m_indexBufferMemory{ nullptr };
vk::raii::Buffer m_indexBuffer{ nullptr };
std::vector<vk::raii::DeviceMemory> m_uniformBuffersMemory;
std::vector<vk::raii::Buffer> m_uniformBuffers;
std::vector<void*> m_uniformBuffersMapped;

现在创建一个函数createUniformBuffers，在createIndexBuffer之后调用

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

void createUniformBuffers() {
    vk::DeviceSize bufferSize  = sizeof(UniformBufferObject);

    m_uniformBuffers.reserve(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
    m_uniformBuffersMemory.reserve(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
    m_uniformBuffersMapped.reserve(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);

    for(size_t i = 0; i < MAX_FRAMES_IN_FLIGHT; i++) {
        m_uniformBuffers.emplace_back( nullptr );
        m_uniformBuffersMemory.emplace_back( nullptr );
        m_uniformBuffersMapped.emplace_back( nullptr );
        createBuffer(bufferSize, 
            vk::BufferUsageFlagBits::eUniformBuffer, 
            vk::MemoryPropertyFlagBits::eHostVisible | 
            vk::MemoryPropertyFlagBits::eHostCoherent, 
            m_uniformBuffers[i], 
            m_uniformBuffersMemory[i]
        );

        m_uniformBuffersMapped[i] = m_uniformBuffersMemory[i].mapMemory(0, bufferSize);
    }
}

我们在创建后立即使用 mapMemory 映射缓冲区获取一个指针，稍后可以将数据写入其中。缓冲区在应用程序的整个生命周期内都映射到此指针。这种技术称为“持久映射”，在所有 Vulkan 实现上都有效。不必每次需要更新时都映射缓冲区，这可以提高性能，因为映射不是免费的。

我们需要在程序结束的时候关闭映射：

void cleanup() {
    for(const auto& it : m_uniformBuffersMemory){
        it.unmapMemory();
    }

    glfwDestroyWindow( m_window );
    glfwTerminate();
}

更新uniform数据

创建一个新函数updateUniformBuffer，并在drawFrame函数中添加调用，在提交下一帧之前:

void drawFrame() {
    ...

    updateUniformBuffer(m_currentFrame);

    m_commandBuffers[m_currentFrame].reset();
    recordCommandBuffer(m_commandBuffers[m_currentFrame], imageIndex);

    ...

    vk::SubmitInfo submitInfo;

    ...
}

...

void updateUniformBuffer(uint32_t currentImage) {

}

此函数将每帧生成一个新的变换，以使几何体旋转起来。我们需要包含两个新的头文件来实现此功能

#define GLM_FORCE_RADIANS
#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变换（如 glm::rotate）、视图变换（如 glm::lookAt）和投影变换（如 glm::perspective）的函数。 GLM_FORCE_RADIANS 宏是必要的，以确保像 glm::rotate 这样的函数使用弧度作为参数，以避免任何可能的混淆。

chrono 标准库头文件公开了执行精确计时的函数。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。

首先使用一些逻辑来计算自渲染开始以来以浮点精度表示的时间（秒）。

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();
}

我们现在将在 uniform 缓冲区对象中定义模型、视图和投影变换。

模型旋转将是围绕 Z 轴的简单旋转，使用 time 变量：

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 函数接受现有变换、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) 的旋转角度实现了每秒旋转 90 度的目的。

对于视图变换，我决定从上方以 45 度角观察几何体。 glm::lookAt 函数接受眼睛位置、中心位置和向上轴作为参数。

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)
);

我选择使用垂直视野为 45 度的透视投影。其他参数是纵横比、近平面和远平面。重要的是使用当前的交换链范围来计算纵横比，以考虑调整大小后窗口的新宽度和高度。

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

GLM 最初是为 OpenGL 设计的，其中裁剪坐标的 Y 坐标是反转的。弥补这一点的最简单方法是在投影矩阵中翻转 Y 轴的缩放因子的符号。如果你不这样做，那么图像将倒置渲染。

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

现在定义了所有变换，所以我们可以将 uniform 缓冲区对象中的数据复制到当前的 uniform 缓冲区。这与顶点缓冲的做法几乎相同，只是没有暂存缓冲。如前所述，我们只映射 uniform 缓冲区一次，所以我们可以直接写入它，而无需再次映射

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

使用 UBO 而不是将频繁变化的值传递给着色器是最有效的方法。将少量数据缓冲区传递给着色器的一种更有效的方法是推送常量。我们可能会在以后的章节中研究这些。

现在着色器还无法访问uniform资源。在下一章中，我们将研究描述符集，它实际将 vk::Buffer 绑定到 uniform 缓冲区描述符，以便着色器可以访问此变换数据。

C++代码

C++代码差异