Vulkan 图像视图和采样器

Vulkan 图像视图和采样器,在本章节我们将为图形管线创建另外两个资源来对图像进行采样。第一个资源我们之前已经接触过了,就是交换链,但是第二个资源比较新,它涉及着色器如何从图像中读取纹素。

操作系统: Windows8.1
显卡: Nivida GTX965M
开发工具:Visual Studio 2017

纹理图像视图

我们之前看过交换链和帧缓冲区,图像不是直接访问,而是通过图像视图。我们也会借助图像视图来访问纹理图像。

添加一个类成员变量vkImageView保存纹理图像,并且创建新的函数createTextureImageView

VkImageView textureImageView;

...

void initVulkan() {
    ...
    createTextureImage();
    createTextureImageView();
    createVertexBuffer();
    ...
}

...

void createTextureImageView() {

}

函数中的代码可以主要基于createImageViews。仅有的两个变化是formatimage字段:

VkImageViewCreateInfo viewInfo = {};
viewInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_VIEW_CREATE_INFO;
viewInfo.image = textureImage;
viewInfo.viewType = VK_IMAGE_VIEW_TYPE_2D;
viewInfo.format = VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;
viewInfo.subresourceRange.aspectMask = VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT;
viewInfo.subresourceRange.baseMipLevel = 0;
viewInfo.subresourceRange.levelCount = 1;
viewInfo.subresourceRange.baseArrayLayer = 0;
viewInfo.subresourceRange.layerCount = 1;

这里已经省略了显示的 viewInfo.components 初始化,因为VK_COMPONET_SWIZZLE_IDENTITY被定义为0。最后在函数中通过调用vkCreateImageView完成图像视图的创建:

if (vkCreateImageView(device, &viewInfo, nullptr, &textureImageView) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create texture image view!");
}

因为很多逻辑都是从createImageViews复制过来的,所以可以抽象一个新的函数createImageView封装该部分逻辑。

VkImageView createImageView(VkImage image, VkFormat format) {
    VkImageViewCreateInfo viewInfo = {};
    viewInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_VIEW_CREATE_INFO;
    viewInfo.image = image;
    viewInfo.viewType = VK_IMAGE_VIEW_TYPE_2D;
    viewInfo.format = format;
    viewInfo.subresourceRange.aspectMask = VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT;
    viewInfo.subresourceRange.baseMipLevel = 0;
    viewInfo.subresourceRange.levelCount = 1;
    viewInfo.subresourceRange.baseArrayLayer = 0;
    viewInfo.subresourceRange.layerCount = 1;

    VkImageView imageView;
    if (vkCreateImageView(device, &viewInfo, nullptr, &imageView) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create texture image view!");
    }

    return imageView;
}

createTextureImageView函数可以简化为:

void createTextureImageView() {
    textureImageView = createImageView(textureImage, VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM);
}

createImageViews可以简化为:

void createImageViews() {
    swapChainImageViews.resize(swapChainImages.size());

    for (uint32_t i = 0; i < swapChainImages.size(); i++) {
        swapChainImageViews[i] = createImageView(swapChainImages[i], swapChainImageFormat);
    }
}

确保程序退出的时候销毁图像视图,并在销毁图像本身前清理图像视图。

采样器

着色器直接从图像中读取纹素是可以的,但是当它们作为纹理图像的时候并不常见。纹理图像通常使用采样器来访问,应用过滤器和变换来计算最终的颜色。

这些过滤器有助于处理超载采样的问题。考虑一个映射到几何图形的纹理图像,拥有比纹素更多的片元。如果只是在每个片段中使用最接近的纹理坐标,那么会获得第一个图像的结果:
各向异性滤波器
如果混合最近的四个纹素通过显性插值,我们会看到更加平滑的结果,如右图所示。当然,应用程序可能具有符合左侧风格的艺术要求(比如Minecraft),但是常规的图形应用程序中更倾向右侧的效果。当从纹理中读取一个颜色的时候,采样器自动应用过滤器。

如果采样负载采样也会造成问题。当采样频率过高的时候,比如对于棋盘的纹理进行采样,会导致在有锐度角的地方产生幻影。
各向异性滤波器
如作左侧图示,顺着距离的变化,纹理变的模糊且混乱的。解决方案是各向异性过滤anisotropic filtering,它会自动被采样器应用。

除了这些过滤器,采样器也参与变换。当尝试读取图像外的纹素的时候,采用什么 addressing mode 寻址模式 。下图显示了一些可能的模式:
各向异性滤波器
添加新函数createTextureSampler配置采样器对象。我们稍后会使用它从着色器中读取颜色。

void initVulkan() {
    ...
    createTextureImage();
    createTextureImageView();
    createTextureSampler();
    ...
}

...

void createTextureSampler() {

}

采样器通过VkSamplerCreateInfo结构体配置,它用来指定将要应用的过滤器和变换。

VkSamplerCreateInfo samplerInfo = {};
samplerInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SAMPLER_CREATE_INFO;
samplerInfo.magFilter = VK_FILTER_LINEAR;
samplerInfo.minFilter = VK_FILTER_LINEAR;

magFilterminFilter过滤器字段指定纹素放大和缩小内插值方式。放大关注上文描述的超采样问题,缩小关注负载采样的问题。VK_FILTER_NEARESTVK_FILTER_LINEAR是可选的选项,对应上面图片纰漏的模式。

samplerInfo.addressModeU = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;
samplerInfo.addressModeV = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;
samplerInfo.addressModeW = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;

可以使用addressMode字段指定每个轴向使用的寻址模式。有效的值列在下方。大多数在图像中已经解释说明过了。需要注意的是轴向在这里称为 U,V 和 W 代替 X,Y 和 Z。这是纹理空间坐标的约定。

  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT:当超过图像尺寸的时候采用循环填充。
  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_MIRRORED_REPEAT:与循环模式类似,但是当超过图像尺寸的时候,它采用反向镜像效果。
  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_EDGE:当超过图像尺寸的时候,采用边缘最近的颜色进行填充。
  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_MIRROR_CLAMP_TOEDGE:与边缘模式类似,但是使用与最近边缘相反的边缘进行填充。
  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_BORDER:当采样超过图像的尺寸时,返回一个纯色填充。

在这里使用什么样的寻址模式并不重要,因为我们不会在图像之外进行采样。但是循环模式是普遍使用的一种模式,因为它可以用来实现诸如瓦片地面和墙面的纹理效果。

samplerInfo.anisotropyEnable = VK_TRUE;
samplerInfo.maxAnisotropy = 16;

这两个字段指定是否使用各向异性过滤器。没有理由不使用该特性,除非性能是一个问题。maxAnisotropy字段限制可用于计算最终颜色的纹素采样的数量。低的数值会得到比较好的性能,但是会得到较差的质量。当前没有任何的图形硬件可以使用超过16个采样器,因为与其超过16个采样器之间的差异可以忽略不计。

samplerInfo.borderColor = VK_BORDER_COLOR_INT_OPAQUE_BLACK;

borderColor字段指定采样范围超过图像时候返回的颜色,与之对应的是边缘寻址模式。可以以float或者int格式返回黑色,白色或者透明度。但是不能指定任意颜色。

samplerInfo.unnormalizedCoordinates = VK_FALSE;

unnormalizedCoordinates字段指定使用的坐标系统,用于访问图像的纹素。如果字段为VK_TRUE,意味着可以简单的使用坐标范围为 [ 0, texWidth )[ 0, texHeight )。如果使用VK_FALSE,意味着每个轴向纹素访问使用 [ 0, 1) 范围。真实的应用程序总是使用归一化的坐标。因为这样可以使用完全相同坐标的不同分辨率的纹理。

samplerInfo.compareEnable = VK_FALSE;
samplerInfo.compareOp = VK_COMPARE_OP_ALWAYS;

如果开启比较功能,那么纹素首先和值进行比较,并且比较后的值用于过滤操作。主要用在阴影纹理映射的percentage-closer filtering 即百分比近似过滤器。我们会在未来的章节中看到。

samplerInfo.mipmapMode = VK_SAMPLER_MIPMAP_MODE_LINEAR;
samplerInfo.mipLodBias = 0.0f;
samplerInfo.minLod = 0.0f;
samplerInfo.maxLod = 0.0f;

所有这些字段应用在mipmapping。mipmapping也在未来章节中看到,但是基本的它可以应用另一种滤波器。

采样器的功能现在已经完整的定义了。添加类成员持有采样器对象的引用并通过vkCreateSampler创建采样器:

VkImageView textureImageView;
VkSampler textureSampler;

...

void createTextureSampler() {
    ...

    if (vkCreateSampler(device, &samplerInfo, nullptr, &textureSampler) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create texture sampler!");
    }
}

需要注意的是采样器没有任何地方引用VkImage。采样器是一个独特的对象,它提供了从纹理中提取颜色的接口。它可以应用在任何你期望的图像中,无论是1D,2D,或者是3D。也与之前很多旧的API是不同的,后者将纹理图像与过滤器混合成单一状态。

在程序的最后且不再访问图像的时候,销毁采样器:

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroySampler(device, textureSampler, nullptr);
    vkDestroyImageView(device, textureImageView, nullptr);

    ...
}

各向异性滤波器

如果现在运行程序,你会看到validation layer消息如下:
各向异性滤波器
这是因为各向异性滤波器是一个可选的特性。我们需要更新createLogicalDevice函数请求它:

VkPhysicalDeviceFeatures deviceFeatures = {};
deviceFeatures.samplerAnisotropy = VK_TRUE;

并且尽管现在的图形卡不太可能不支持该功能,但建议仍然更新isDeviceSuitable函数去检测是否有效:

bool isDeviceSuitable(VkPhysicalDevice device) {
    ...

    VkPhysicalDeviceFeatures supportedFeatures;
    vkGetPhysicalDeviceFeatures(device, &supportedFeatures);

    return indices.isComplete() && extensionsSupported && supportedFeatures.samplerAnisotropy;
}

vkGetPhysicalDeviceFeaturesVkPhysicalDeviceFeatures结构重新定义,指定哪些特性被支持而不是通过设置boolean值来请求。

如果不是强制使用各向异性滤波器,也可以简单的通过条件设定来不使用它:

samplerInfo.anisotropyEnable = VK_FALSE;
samplerInfo.maxAnisotropy = 1;

下一章我们将图像与采样器对象公开到着色器中,绘制纹理到正方形上。

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