vulakn教程--Drawing a Triangle--Pipeline--Fixed function

发表于2016-12-05
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Fixed functions
      这一章节的内容主要是Pipeline中不可编程部分的配置。

Vertex input
      VkPipelineVertexInputStateCreateInfo 代表我们传递给Vertex Shader 顶点数据的格式,它涉及以下两个方面:
       顶点数据的描述(Bindings) :数据间的间隔,以及判断数据是顶点数据(pre-vertex)还是实例数据(pre-instance)。
      顶点属性的描述(Attribute Descriptions):传入到Vertex Shader 里的属性(attributes)类型,从哪个Binding加载以及offset。
       因为我们把顶点硬编码到Shader Code中了,所以这个结构先赋空值,当我们有需要的时候再回过头来重新审视这个结构。
VkPipelineVertexInputStateCreateInfo vertexInputInfo = {}; 
vertexInputInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_VERTEX_INPUT_STATE_CREATE_INFO; 
vertexInputInfo.vertexBindingDescriptionCount = 0; 
vertexInputInfo.pVertexBindingDescriptions = nullptr; // Optional 
vertexInputInfo.vertexAttributeDescriptionCount = 0; 
vertexInputInfo.pVertexAttributeDescriptions = nullptr; // Optional

Input assembly
VkPipelineInputAssemblyStateCreateInfo 描述了两个内容:我们要画什么样的几何图形和图元顶点是否可以重用(primitive restart should be enabled)。
VkPipelineInputAssemblyStateCreateInfo inputAssembly = {}; 
inputAssembly.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_INPUT_ASSEMBLY_STATE_CREATE_INF
O; 
inputAssembly.topology = VK_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLE_LIST; 
inputAssembly.primitiveRestartEnable = VK_FALSE;
topology 的可选值有: 
VK_PRIMITIVE_TOPOLOGY_POINT_LIST: 画点 
VK_PRIMITIVE_TOPOLOGY_LINE_LIST: 每两个点为一条线,顶点不能重用 
VK_PRIMITIVE_TOPOLOGY_LINE_STRIP: 一条线的第二个顶点可以作为下一条线的起点(可重用) 
VK_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLE_LIST: 每三个点一个三角形,顶点不可重用 
VK_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLE_STRIP: 一个三角形的第三个点可以作为下一个三角形的起点(可重用)
primitiveRestartEnable 与_STRIP有关,先置 FLASE。

Viewports and scissors
       Viewport 其实就是输出结果被渲染到FrameBuffer的多大区域中。它总是从坐标(0,0)点开始,具有一定宽(width)和高(height)的矩形区域。这个区域我们用VkViewport表示:
VkViewport viewport = {}; 
viewport.x = 0.0f; 
viewport.y = 0.0f; 
viewport.width = (float) swapChainExtent.width; 
viewport.height = (float) swapChainExtent.height; 
viewport.minDepth = 0.0f; 
viewport.maxDepth = 1.0f;
        正如在创建swpaChain时所描述的那样,swapChain及其Image的尺寸可能和window的尺寸不同。我们用Swap Chain的 width和height 赋值Viewport, 因为接下来Swap Chain的 images 将作为FrameBuffer使用。Min/maxDepth表示FrameBuffer的深度范围,深度取值在[0.0 , 1.0]范围内,注意,minDepth可能大于maxDepth,如果没有什么特殊需要,我们将按照标准的定义, 即:minDepth=0 , maxDepth=1.0 。
       Viewport 定义了image 到 FrameBuffer的变换,而Scissor 矩形框决定哪些区域的像素将会被存储,在Scissor矩形框外的像素将会在光栅化(像素化)阶段被丢弃。所以,比起变换,Scissor 更像是一个过滤器。如图:


     这里我们想画整个FrameBuffer ,所以我们这样定义Scissor :
VkRect2D scissor = {}; 
scissor.offset = {0, 0}; 
scissor.extent = swapChainExtent;
     这里我们用到了VkRect2D 结构:
typedef struct VkRect2D { 
    VkOffset2D offset; 
    VkExtent2D extent; 
} VkRect2D;
VkOffset2D 结构:
typedef struct VkOffset2D { 
    int32_t x; 
    int32_t y; 
} VkOffset2D;
VkExtent2D 结构:
typedef struct VkExtent2D { 
    uint32_t width; 
    uint32_t height; 
}VkExtent2D;
       现在我们需要将Viewport和Scissor 结合起来,把他们运用到Pipeline的Viewport 状态(viewport state)中:
VkPipelineViewportStateCreateInfo viewportState = {};
viewportState.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_VIEWPORT_STATE_CREATE_INFO;
viewportState.viewportCount = 1;
viewportState.pViewports = &viewport;
viewportState.scissorCount = 1;
viewportState.pScissors = &scissor;
       注意,从VkPipelineViewportStateCreateInfo的结构上来看,在某些显卡上,我们可以使用多个Viewport和多个Scissor ,这涉及到显卡的支持,在我们创建Logicsl Device时,VkPhysicalDeviceFeatures 字段里有 VkBool32 multiViewport;的定义,你可以检查自己的显卡是否支持这个特性。

Rasterizer
     光栅化(我个人更喜欢像素化这个称呼),它把来自Vertex Shader 操作后顶点组成的几何图形离散化成一个个片原(fragment),然后将片原传递到Fragment Shader 里进行着色。光栅化也执行depth testing、face culling 和 scissor test。你可以配置,选择是将整个多边形离散化成片原,还是只离散化边框(edges)(又叫 : wireframe rending),我们通过如下结构来进行设置:
VkPipelineRasterizationStateCreateInfo rasterizer = {};
rasterizer.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_RASTERIZATION_STATE_CREATE_INFO;
rasterizer.depthClampEnable = VK_FALSE;
rasterizer.rasterizerDiscardEnable = VK_FALSE
 depthClampEnable 如果设置成VK_TRUE,那些在视景体近平面(near)和远平面(far)之外的片原将会被拉紧/截取?(clamped 什么意思??),而不是丢弃,这在有些情况下很有用,但需要显卡特性支持。
      rasterizerDiscardEnable 如果为VK_TRUE, 几何数据(geometry)将无法通过Rasterization阶段,FrameBuffer 将得不到任何输出数据。
rasterizer.polygonMode = VK_POLYGON_MODE_FILL;
polygonMode 表示我们将从几何图形中产生生么样的片原(fragments),它的取值有以下几种:
VK_POLYGON_MODE_FILL: 填充整个多边形区域的片原 
VK_POLYGON_MODE_LINE: 只有多边形边界(edges)的片原 
VK_POLYGON_MODE_POINT: 只画多边形顶点
   这里我们要画三角形区域,所以采用VK_POLYGON_MODE_FILL。
1terizer.lineWidth = 1.0f; //线条粗细
/*  卷绕方式与背面裁剪
  规定裁剪那个面:前面和背面,从摄像机的角度看,顶点按逆时针组成的图形
  是正面,顺时背面。正反面的卷绕方式可以自定义。
*/
rasterizer.cullMode = VK_CULL_MODE_BACK_BIT; 
rasterizer.frontFace = VK_FRONT_FACE_CLOCKWISE;
cullMode 表示裁剪方式 ,结构: 
“` 
typedef enum VkCullModeFlagBits { 
VK_CULL_MODE_NONE = 0, 
VK_CULL_MODE_FRONT_BIT = 0x00000001, 
VK_CULL_MODE_BACK_BIT = 0x00000002, 
VK_CULL_MODE_FRONT_AND_BACK = 0x00000003, 
} VkCullModeFlagBits;
>frontFace 表示正面的卷绕方式 ,结构:
>```
>typedef enum VkFrontFace { 
    VK_FRONT_FACE_COUNTER_CLOCKWISE = 0, 
    VK_FRONT_FACE_CLOCKWISE = 1, 
} VkFrontFace;
rasterizer.depthBiasEnable = VK_FALSE; 
rasterizer.depthBiasConstantFactor = 0.0f; // Optional 
rasterizer.depthBiasClamp = 0.0f; // Optional 
rasterizer.depthBiasSlopeFactor = 0.0f; // Optional
     光栅化可以改变深度值,我们暂时不使用这些选项。

Multisampling
     多重采样可以执行防锯齿的功能,在我们的应用中不需要使用,你可以查看文档去了解:
VkPipelineMultisampleStateCreateInfo multisampling = {}; 
multisampling.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_MULTISAMPLE_STATE_CREATE_INFO; 
multisampling.sampleShadingEnable = VK_FALSE; 
multisampling.rasterizationSamples = VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT; multisampling.minSampleShading = 1.0f; // Optional 
multisampling.pSampleMask = nullptr; /// Optional 
multisampling.alphaToCoverageEnable = VK_FALSE; // Optional
multisampling.alphaToOneEnable = VK_FALSE; // Optional
Depth and stencil testing
      如果我们使用depth和stencil buffer就要配置VkPipelineDepthStencilStateCreateInfo 参数,我们目前还没有使用它,当用到的时候我们在回过头来拜访它,现在值空即可。

Color blending
        Fagment Shader 输出的颜色结果要和FrameBuffer中已有的颜色整合到一起,这里有两种方式:
       混合(mix) 新颜色和旧颜色来产生最终的颜色。
       将新颜色和旧颜色通过按位运算(bitwise)整合在一起。
       为了完成颜色混合,我们需要填充两个结构体: VkPipelineColorBlendAttachmentState 对每一个FrameBuffer进行配置(per attached framebuffer)VkPipelineColorBlendStateCreateInfo对全局的颜色( global color)混合进行设置。在我们的应用中只有一个FrameBuffer。 
     先看一下 VkPipelineColorBlendAttachmentState :
typedef struct VkPipelineColorBlendAttachmentState {
    VkBool32 blendEnable;
    VkBlendFactor srcColorBlendFactor;
    VkBlendFactor dstColorBlendFactor;
    VkBlendOp colorBlendOp;
    VkBlendFactor srcAlphaBlendFactor;
    VkBlendFactor dstAlphaBlendFactor;
    VkBlendOp alphaBlendOp;
    VkColorComponentFlags colorWriteMask;
} VkPipelineColorBlendAttachmentState;
其中的 VkBlendFactor 结构:
typedef enum VkBlendFactor {
    VK_BLEND_FACTOR_ZERO = 0,
    VK_BLEND_FACTOR_ONE = 1,
    VK_BLEND_FACTOR_SRC_COLOR = 2,
    VK_BLEND_FACTOR_SRC_ALPHA = 6,
    ...
} VkBlendFactor;
VkBlendOp 结构
typedef enum VkBlendOp {
    VK_BLEND_OP_ADD = 0,
    VK_BLEND_OP_SUBTRACT = 1,
    VK_BLEND_OP_REVERSE_SUBTRACT = 2,
    VK_BLEND_OP_MIN = 3,
    VK_BLEND_OP_MAX = 4,
    ...
} VkBlendOp;
配置 VkPipelineColorBlendAttachmentState :
VkPipelineColorBlendAttachmentState colorBlendAttachment = {};
colorBlendAttachment.colorWriteMask = VK_COLOR_COMPONENT_R_BIT | VK_COLOR_COMPONENT_G_BIT | VK_COLOR_COMPONENT_B_BIT | VK_COLOR_COMPONENT_A_BIT; 
colorBlendAttachment.blendEnable = VK_FALSE; 
//Optional 
colorBlendAttachment.srcColorBlendFactor = VK_BLEND_FACTOR_ONE;
//Optional 
colorBlendAttachment.dstColorBlendFactor = VK_BLEND_FACTOR_ZERO; 
// Optional
colorBlendAttachment.colorBlendOp = VK_BLEND_OP_ADD; 
//Optional 
colorBlendAttachment.srcAlphaBlendFactor = VK_BLEND_FACTOR_ONE; 
//Optional  
colorBlendAttachment.dstAlphaBlendFactor = VK_BLEND_FACTOR_ZERO; 
colorBlendAttachment.alphaBlendOp = VK_BLEND_OP_ADD; // Optional
下面的伪代码显示了处理过程:
if (blendEnable) {
    finalColor.rgb = (srcColorBlendFactor * newColor.rgb)     (dstColorBlendFactor * oldColor.rgb);
    finalColor.a = (srcAlphaBlendFactor * newColor.a)     (dstAlphaBlendFactor * oldColor.a);
} else {
    finalColor = newColor;
}
finalColor = finalColor & colorWriteMask; //保留何种通道
我们更常用的可能是Alpha通道的混合:
colorBlendAttachment.blendEnable = VK_TRUE;
colorBlendAttachment.srcColorBlendFactor = VK_BLEND_FACTOR_SRC_ALPHA;
colorBlendAttachment.dstColorBlendFactor = VK_BLEND_FACTOR_ONE_MINUS_SRC_ALPHA;
colorBlendAttachment.colorBlendOp = VK_BLEND_OP_ADD;
colorBlendAttachment.srcAlphaBlendFactor = VK_BLEND_FACTOR_ONE;
colorBlendAttachment.dstAlphaBlendFactor = VK_BLEND_FACTOR_ZERO;
colorBlendAttachment.alphaBlendOp = VK_BLEND_OP_ADD;
伪代码:
finalColor.rgb = newAlpha * newColor + (1 - newAlpha) * oldColor; 
finalColor.a = newAlpha.a;
第二个配置结构 VkPipelineColorBlendStateCreateInfo :
typedef struct VkPipelineColorBlendStateCreateInfo {
    VkStructureType sType;
    const void* pNext;
    VkPipelineColorBlendStateCreateFlags flags;
    VkBool32 logicOpEnable;
    VkLogicOp logicOp;
    uint32_t attachmentCount;
    const VkPipelineColorBlendAttachmentState* pAttachments;
    float blendConstants[4];
} VkPipelineColorBlendStateCreateInfo;
VkLogicOp 结构:
typedef enum VkLogicOp {
    VK_LOGIC_OP_CLEAR = 0,
    VK_LOGIC_OP_AND = 1,
    VK_LOGIC_OP_AND_REVERSE = 2,
    VK_LOGIC_OP_COPY = 3,
    VK_LOGIC_OP_AND_INVERTED = 4,
    VK_LOGIC_OP_NO_OP = 5,
    VK_LOGIC_OP_XOR = 6,
    VK_LOGIC_OP_COPY_INVERTED = 12,
    VK_LOGIC_OP_OR_INVERTED = 13,
    ...
} VkLogicOp;
填充 VkPipelineColorBlendStateCreateInfo :
VkPipelineColorBlendStateCreateInfo colorBlending = {};
colorBlending.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_COLOR_BLEND_STATE_CREATE_INFO;
colorBlending.logicOpEnable = VK_FALSE;
colorBlending.logicOp = VK_LOGIC_OP_COPY; // Optional
colorBlending.attachmentCount = 1;
colorBlending.pAttachments = &colorBlendAttachment;
colorBlending.blendConstants[0] = 0.0f; // Optional 
colorBlending.blendConstants[1] = 0.0f; // Optional 
colorBlending.blendConstants[2] = 0.0f; // Optional 
colorBlending.blendConstants[3] = 0.0f; // Optional
        如果我们要使用第二种混合方式,即按位混合(bitewise combination), logicOpEnable就要设置成VK_TRUE,然后新旧颜色就按照logicOp中的操作类型按位进行运算,但此时,我们在第一种结构中设置的混合方式将不起作用,如同blendEnable设置成VK_FALSE一样,但是colorWriteMask 任然会被第二种方式使用。当然我们可能对这两种混合方式都不感冒,正如我们上面说做的那样:全部设置为VK_FALSE,表示fragment 中的颜色将直接写入FrameBuffer中。

Dynamic state
      当目前为止,以上我们为Pipeline 设置的属性,有一部分设置可以在不重建Pipeline的情况下被改变,比如:Viewport的大小,lineWidth 和 blend Constrants等。 通过VkDynamicsSate 我们可以知道可以改变那些东西:
typedef enum VkDynamicState {
    VK_DYNAMIC_STATE_VIEWPORT = 0,
    VK_DYNAMIC_STATE_SCISSOR = 1,
    VK_DYNAMIC_STATE_LINE_WIDTH = 2,
    VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_BIAS = 3,
    VK_DYNAMIC_STATE_BLEND_CONSTANTS = 4,
    VK_DYNAMIC_STATE_DEPTH_BOUNDS = 5,
    VK_DYNAMIC_STATE_STENCIL_COMPARE_MASK = 6,
    VK_DYNAMIC_STATE_STENCIL_WRITE_MASK = 7,
    VK_DYNAMIC_STATE_STENCIL_REFERENCE = 8,
} VkDynamicState
      如果要在绘制阶段改变一些设置,我们需要填写如下结构:
VkDynamicState dynamicStates[] = {
    VK_DYNAMIC_STATE_VIEWPORT,
    VK_DYNAMIC_STATE_LINE_WIDTH
};
VkPipelineDynamicStateCreateInfo dynamicState = {};
dynamicState.dynamicStateCount = 2;
dynamicState.pDynamicStates = dynamicStates;
       如果我们确实这么做了,那之前对这些属性的设置都将无效,在绘画阶段就会要求我们给出这些属性的具体设置。

Pipeline layout
       Uniform 全局变量如同我们之前介绍的Pipeline的可变部分一样,它们的改变不会导致Pipeline的重建。我们可以通过在绘画阶段改变这些uniform变量从而改变着色器(Shaders)的行为。最常用的情况就是传递给Vertex Shader 一个转换矩阵(Matrix),或者在Fragment Shader 中创建取样器(Samplers)。
      我们需要使用VkPipelineLayout 结构来来声明Uniform 变量,这个过程必须在Pipeline创建阶段完成。 我们目前还不需要uniform 变量,这里写一空结构:
VDeleter pipelineLayout {device, vkDestroyPipelineLayout}; // ÉùÃ÷
VkPipelineLayoutCreateInfo pipelineLayoutInfo = {};
pipelineLayoutInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_LAYOUT_CREATE_INFO;
pipelineLayoutInfo.setLayoutCount = 0; // Optional 
pipelineLayoutInfo.pSetLayouts = nullptr; // Optional 
pipelineLayoutInfo.pushConstantRangeCount = 0; // Optional 
pipelineLayoutInfo.pPushConstantRanges = 0; // Optional
if (vkCreatePipelineLayout(device, &pipelineLayoutInfo, nullptr, &pipelineLayout) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create pipeline layout!");
}
原文源码 : Source code

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