操作系統:Windows8.1
顯卡:Nivida GTX965M
開發工具：Visual Studio 2017
Introduction
我們現在可以將任意屬性傳遞給每個頂點的頂點着色器使用。但是全局變量呢？我們將會從本章開始介紹3D圖形相關的內容，並需要一個模型視圖投影矩陣。我們可以將其包含為頂點數據，但是這非常浪費帶寬、內存，並且需要我們在變換的時候更新頂點緩沖區的數據。這種變換通常發生在每一幀。
在Vulkan中正確處理此問題的途徑是使用資源描述符 resource descriptors 。描述符是着色器自由訪問緩沖區和圖像資源的一種方式。我們需要設置一個包含轉換矩陣的緩沖區，並使頂點着色器通過描述符訪問它們。描述符的使用由三部分組成：
- 在管線創建時指定描述符的布局結構
- 從描述符對象池中分配描述符集合
- 在渲染階段綁定描述符集合
描述符布局 descriptor layout 指定了管線訪問的資源的類型，就像渲染通道指定附件的類型一樣。描述符集合 descriptor set 指定將綁定到描述符的實際緩沖區或映射資源。就像幀緩沖區為綁定渲染通道的附件而指定實際的圖像視圖一樣。描述符集合會像頂點緩沖區和幀緩沖區一樣被綁定到繪制命令。
有許多類型的描述符，但在本章中，我們將使用統一的緩沖區對象uniform buffer objects(UBO)。我們將會在后面的章節中討論其他類型的描述符，但基本過程是一樣的。假設我們有一個數據，我們希望頂點着色器擁有一個這樣的C結構體：
struct UniformBufferObject { glm::mat4 model; glm::mat4 view; glm::mat4 proj; };
我們可以拷貝數據到VkBuffer並在頂點着色器中通過uniform buffer object描述訪問它們：
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; }
我們會在每一幀更新模型，視圖和投影矩陣，使前一章的矩形以3D旋轉。
Vertex shader
修改頂點着色器包含像上面指定的統一緩沖區對象uniform buffer object。假設大家比較熟悉MVP變換。如果不是這樣，可以看第一章中提到的內容了解。
#version 450 #extension GL_ARB_separate_shader_objects : enable 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; out gl_PerVertex { vec4 gl_Position; }; void main() { gl_Position = ubo.proj * ubo.view * ubo.model * vec4(inPosition, 0.0, 1.0); fragColor = inColor; }
需要注意的是uniform, in 和 out它們聲明的順序無關緊要。binding指令與location屬性指令類似。我們將在描述符布局中引用此綁定。使用gl_Position的行更改為使用變換矩陣計算裁剪坐標的最終位置。與2D三角形不同，最后一個裁剪坐標的分量也許不是 1 當轉換為屏幕上的最終歸一化設備坐標時，會導除法不一致。這用於透視投影作為透視除法 perspective division 並且對於使更近的無題看起來比對於遠處的物體更大。
Descriptor set layout
下一步在C++應用層定義UBO數據結構，並告知Vulkan在頂點着色器使用該描述符。
struct UniformBufferObject { glm::mat4 model; glm::mat4 view; glm::mat4 proj; };
我們可以使用GLM中的與着色器中結構體完全匹配的數據類型。矩陣中的數據與着色器預期的二進制數據兼容，所以我們可以稍后將一個UniformBufferObject通過memcpy拷貝到VkBuffer中。
我們需要在管線創建時，為着色器提供關於每個描述符綁定的詳細信息，就像我們為每個頂點屬性和location索引做的一樣。我們添加一個新的函數來定義所有這些名為createDescritorSetLayout的信息。考慮到我們會在管線中使用，它應該在管線創建函數之前調用。
void initVulkan() { ... createDescriptorSetLayout(); createGraphicsPipeline(); ... } ... void createDescriptorSetLayout() { }
每個綁定都會通過VkDescriptorSetLayoutBinding結構體描述。
void createDescriptorSetLayout() { VkDescriptorSetLayoutBinding uboLayoutBinding = {}; uboLayoutBinding.binding = 0; uboLayoutBinding.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER; uboLayoutBinding.descriptorCount = 1; }
前兩個字段指定着色器中使用的binding和描述符類型，它是一個UBO。着色器變量可以表示UBO數組，descriptorCount指定數組中的數值。比如，這可以用於骨骼動畫中的每個骨骼變換。我們的MVP變換是一個單UBO對象，所以我們使用descriptorCount為1。
uboLayoutBinding.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;
我們也需要指定描述符在着色器哪個階段被引用。stageFlags字段可以是VkShaderStage標志位或VK_SHADER_STAGE_ALL_GRAPHICS的組合。在我們的例子中，我們僅僅在頂點着色器中使用描述符。
uboLayoutBinding.pImmutableSamplers = nullptr; // Optional
pImmutableSamplers字段僅僅與圖像采樣的描述符有關，我們會在后面的內容討論。現在可以設置為默認值。
所有的描述符綁定都會被組合在一個單獨的VkDescriptorSetLayout對象。定義一個新的類成員變量pipelineLayout：
VkDescriptorSetLayout descriptorSetLayout;
VkPipelineLayout pipelineLayout;
我們使用vkCreateDescriptorSetLayout創建。這個函數接受一個簡單的結構體VkDescriptorSetLayoutCreateInfo，該結構體持有一個綁定數組。
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!"); }
我們需要在創建管線的時候指定描述符集合的布局，用以告知Vulkan着色器將要使用的描述符。描述符布局在管線布局對象中指定。修改VkPipelineLayoutCreateInfo引用布局對象：
VkPipelineLayoutCreateInfo pipelineLayoutInfo = {}; pipelineLayoutInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_LAYOUT_CREATE_INFO; pipelineLayoutInfo.setLayoutCount = 1; pipelineLayoutInfo.pSetLayouts = &descriptorSetLayout;
到這里可能會有疑問，為什么可以在這里指定那么多的描述符布局集合，因為一個包含了所有的綁定。我們將在下一章回顧一下，我們將在其中查看描述符對象池和描述符集合。
描述符布局應該在程序退出前始終有效：
void cleanup() { cleanupSwapChain(); vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr); ... }
Uniform buffer
在下一章節我們會為着色器重點包含UBO的緩沖區，但是首先要創建該緩沖區。在每一幀中我們需要拷貝新的數據到UBO緩沖區，所以存在一個暫存緩沖區是沒有意義的。在這種情況下，它只會增加額外的開銷，並且可能降低性能而不是提升性能。
添加類成員uniformBuffer和uniformBufferMemory：
VkBuffer indexBuffer;
VkDeviceMemory indexBufferMemory;
VkBuffer uniformBuffer;
VkDeviceMemory uniformBufferMemory;
同樣需要添加新的函數createUniformBuffer來分配緩沖區，並在createIndexBuffer之后調用。
void initVulkan() { ... createVertexBuffer(); createIndexBuffer(); createUniformBuffer(); ... } ... void createUniformBuffer() { VkDeviceSize bufferSize = sizeof(UniformBufferObject); createBuffer(bufferSize, VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT, VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_VISIBLE_BIT | VK_MEMORY_PROPERTY_HOST_COHERENT_BIT, uniformBuffer, uniformBufferMemory); }
我們要寫一個單獨的函數來更新uniform緩沖區，確保每一幀都有更新，所以在這里不會有 vkMapMemory。UBO的數據將被用於所有的繪制使用，所以包含它的緩沖區只能在最后銷毀：
void cleanup() { cleanupSwapChain(); vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr); vkDestroyBuffer(device, uniformBuffer, nullptr); vkFreeMemory(device, uniformBufferMemory, nullptr); ... }
Updating uniform data
添加新的函數updateUniformBuffer並在main loop中調用：
void mainLoop() { while (!glfwWindowShouldClose(window)) { glfwPollEvents(); updateUniformBuffer(); drawFrame(); } vkDeviceWaitIdle(device); } ... void updateUniformBuffer() { }
該函數會在每一幀中創建新的變換矩陣以確保幾何圖形旋轉。我們需要引入新的頭文件使用該功能：
#define GLM_FORCE_RADIANS #include <glm/glm.hpp> #include <glm/gtc/matrix_transform.hpp> #include <chrono>
glm/gtc/matrix_transform.cpp頭文件對外提供用於生成模型變換矩陣的gl::rotate，視圖變換矩陣的 glm:lookAt 和 投影變換矩陣的 glm::perspective。GLM_FORCE_RADIANS定義是必要的，它確保像 glm::rotate 這樣的函數使用弧度制作為參數，以避免任何可能的混淆。
chrono標准庫的頭文件對外提供計時功能。我們將使用它來確保集合旋轉每秒90度，無論幀率如何。
void updateUniformBuffer() { static auto startTime = std::chrono::high_resolution_clock::now(); auto currentTime = std::chrono::high_resolution_clock::now(); float time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(currentTime - startTime).count() / 1000.0f; }
updateUniformBuffer函數將有關時間計算的邏輯開始，它會以毫秒級的精度計算渲染開始后的時間(秒為單位)。如果需要更准確的時間，則可以使用 std::chrono::microseconds 並除以 1e6f，這是 1000000.0 的縮寫。
我們在UBO中定義模型，視圖和投影變換矩陣。模型變換將會圍繞Z-axis旋轉，並使用 time 變量更新旋轉角度：
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 函數對現有的變換矩陣進行旋轉，它使用旋轉角度和旋轉軸作為參數。glm::mat4(1.0f) 的構造器返回歸一化的矩陣。使用 time * glm::radians(90.0f) 可以實現每秒90度的旋轉目的。
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));
對於視圖變換，我們決定以45度從上觀察幾何圖形。glm::lookAt 函數以眼睛位置，中心位置和上方向為參數。
ubo.proj = glm::perspective(glm::radians(45.0f), swapChainExtent.width / (float) swapChainExtent.height, 0.1f, 10.0f);
選擇使用FOV為45度的透視投影。其他參數是寬高比，近裁剪面和遠裁剪面。重要的是使用當前的交換鏈擴展來計算寬高比，以便在窗體調整大小后參考最新的窗體寬度和高度。
ubo.proj[1][1] *= -1;
GLM最初是為OpenGL設計的，它的裁剪坐標的Y是反轉的。修正該問題的最簡單的方法是在投影矩陣中Y軸的縮放因子反轉。如果不這樣做圖像會被倒置。
現在定義了所有的變換，所以我們可以將UBO中的數據復制到uniform緩沖區。這與我們對頂點緩沖區的操作完全相同，除了沒有暫存緩沖區：
void* data; vkMapMemory(device, uniformBufferMemory, 0, sizeof(ubo), 0, &data); memcpy(data, &ubo, sizeof(ubo)); vkUnmapMemory(device, uniformBufferMemory);
使用UBO將並不是經常變化的值傳遞給着色器是非常有效的方式。相比傳遞一個更小的數據緩沖區到着色器中，更有效的方式是使用常量。我們在未來的章節中會看到這些。
在下一章節我們會討論描述符集合，它會將VkBuffer綁定到uniform緩沖區描述符，最終着色器可以訪問變換矩陣等數據。
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