Vulkan填坑学习Day12—渲染通道

Vulkan 渲染通道

Vulkan 渲染通道，在我们完成管线的创建工作之前，我们需要告诉Vulkan渲染时候使用的framebuffer帧缓冲区附件相关信息。我们需要指定多少个颜色和深度缓冲区将会被使用，指定多少个采样器被用到及在整个渲染操作中相关的内容如何处理。所有的这些信息都被封装在一个叫做 render pass 的对象中。

一、设置

我们新添加一个createRenderPass函数，在initVulkan函数中确保createGraphicsPipeline调用之前，调用它。

void initVulkan() {
    createInstance();
    setupDebugCallback();
    createSurface();
    pickPhysicalDevice();
    createLogicalDevice();
    createSwapChain();
    createImageViews();
    createRenderPass();
    createGraphicsPipeline();
}

...

void createRenderPass() {

}

二、附件描述

在我们的例子中，我们将只有一个颜色缓冲区附件，它由交换链中的一个图像所表示

void createRenderPass() {
    VkAttachmentDescription colorAttachment = {};
    colorAttachment.format = swapChainImageFormat;
    colorAttachment.samples = VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT;
}

format是颜色附件的格式，它应该与交换链中图像的格式相匹配，同时我们不会做任何多重采样的工作，所以采样器设置为1。

colorAttachment.loadOp = VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_CLEAR;
colorAttachment.storeOp = VK_ATTACHMENT_STORE_OP_STORE;

loadOp和storeOp决定了渲染前和渲染后数据在对应附件的操作行为。对于 loadOp 我们有如下选项：

VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_LOAD: 保存已经存在于当前附件的内容
VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_CLEAR: 起始阶段以一个常量清理附件内容

VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_DONT_CARE: 存在的内容未定义，忽略它们

在绘制新的一帧内容之前，我们要做的是使用清理操作来清理帧缓冲区framebuffer为黑色。同时对于 storeOp 仅有两个选项：

VK_ATTACHMENT_STORE_OP_STORE: 渲染的内容会存储在内存，并在之后进行读取操作
VK_ATTACHMENT_STORE_OP_DONT_CARE: 帧缓冲区的内容在渲染操作完毕后设置为undefined

我们要做的是渲染一个三角形在屏幕上，所以我们选择存储操作。

colorAttachment.stencilLoadOp = VK_ATTACHMENT_LOAD_OP_DONT_CARE;
colorAttachment.stencilStoreOp = VK_ATTACHMENT_STORE_OP_DONT_CARE;

loadOp和storeOp应用在颜色和深度数据，同时stencilLoadOp / stencilStoreOp应用在模版数据。我们的应用程序不会做任何模版缓冲区的操作，所以它的loading和storing无关紧要。

colorAttachment.initialLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED;
colorAttachment.finalLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_PRESENT_SRC_KHR;

纹理和帧缓冲区在Vulkan中通常用VkImage 对象配以某种像素格式来代表。但是像素在内存中的布局可以基于预要对image图像进行的操作发生内存布局的变化。

一些常用的布局:

VK_IMAGE_LAYOUT_COLOR_ATTACHMET_OPTIMAL: 图像作为颜色附件
VK_IMAGE_LAYOUT_PRESENT_SRC_KHR: 图像在交换链中被呈现
VK_IMAGE_LAYOUT_TRANSFER_DST_OPTIMAL: 图像作为目标，用于内存COPY操作

我们会深入讨论这些内容在纹理章节，现在最重要的是为需要转变的图像指定合适的layout布局进行操作。

initialLayout指定图像在开始进入渲染通道render pass前将要使用的布局结构。finalLayout指定当渲染通道结束自动变换时使用的布局。使用VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED设置initialLayout，意为不关心图像之前的布局。特殊值表明图像的内容不确定会被保留，但是这并不总要，因为无论如何我们都要清理它。我们希望图像渲染完毕后使用交换链进行呈现，这就解释了为什么finalLayout要设置为VK_IMAGE_LAYOUT_PRESENT_SRC_KHR。

如果没有搞清楚布局存在的意义，进一步解释layout请看如下图示:

一般意义上，我们理解CPU进行内存中的数据读写往往都是线性排序的linear memory layout，可以看到AB与CD作为来个连续的行来进行读取。但是在很多时候对于像素纹理数据的操作是非线性连续的，这种情景更多发生在GPU操作中，所以GPU硬件更多的支持基于(Tiled)平铺的或者成为最佳的内存布局结构，来提降低GPU处理数据的开销。

所以从CPU linear layout 内存数据 到 GPU optimal layout 显存数据的读写 往返之间存在数据存储格式的优化转变步骤。

三、子通道和附件引用

一个单独的渲染通道可以由多个子通道组成。子通道是渲染操作的一个序列。子通道作用与后续的渲染操作，并依赖之前渲染通道输出到帧缓冲区的内容。比如说后处理效果的序列通常每一步都依赖之前的操作。如果将这些渲染操作分组到一个渲染通道中，通过Vulkan将通道中的渲染操作进行重排序，可以节省内存从而获得更好的性能。对于我们要绘制的三角形，我们只需要一个子通道。

每个子通道引用一个或者多个之前使用结构体描述的附件。这些引用本身就是VkAttachmentReference结构体:

VkAttachmentReference colorAttachmentRef = {};
colorAttachmentRef.attachment = 0;
colorAttachmentRef.layout = VK_IMAGE_LAYOUT_COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL;

attachment附件参数通过附件描述符集合中的索引来持有。我们的集合是由一个VkAttachmentDesription组成的，所以它的索引为0。layout为附件指定子通道在持有引用时候的layout。当子通道开始的时候Vulkan会自动转变附件到这个layout。因为我们期望附件起到颜色缓冲区的作用，layout设置为VK_IMAGE_LAYOUT_ATTACHMENT_OPTIMAL会给我们最好的性能。

子通道使用VkSubpassDescription结构体描述:

VkSubpassDescription subpass = {};
subpass.pipelineBindPoint = VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS;

Vulkan在未来可能会支持关于compute subpasses的功能，所以在这里我们明确指定graphics subpass图形子通道。下一步为它指定颜色附件的引用:

subpass.colorAttachmentCount = 1;
subpass.pColorAttachments = &colorAttachmentRef;

附件在数组中的索引直接从片段着色器引用，其layout(location = 0) out vec4 outColor 指令!

可以被子通道引用的附件类型如下:

pInputAttachments: 附件从着色器中读取
pResolveAttachments: 附件用于颜色附件的多重采样
pDepthStencilAttachment: 附件用于深度和模版数据
pPreserveAttachments: 附件不被子通道使用，但是数据被保存

四、渲染通道

现在附件和基本的子通道已经介绍过了，我们可以创建渲染通道了。首先新建一个类成员变量持有VkRenderPass对象，该变量在pipelineLayout上定义:

VkRenderPass renderPass;
VkPipelineLayout pipelineLayout;

渲染通道对象创建通过填充VkRenderPassCreateInfo结构体，并配合相关附件和子通道来完成。VkAttachmentReference对象引用附件数组。

VkRenderPassCreateInfo renderPassInfo = {};
renderPassInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_RENDER_PASS_CREATE_INFO;
renderPassInfo.attachmentCount = 1;
renderPassInfo.pAttachments = &colorAttachment;
renderPassInfo.subpassCount = 1;
renderPassInfo.pSubpasses = &subpass;

if (vkCreateRenderPass(device, &renderPassInfo, nullptr, &renderPass) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create render pass!");
}

就像pipeline layout一样，渲染通道在整个程序生命周期内都被使用，所以需要在退出阶段进行清理：

void cleanup() {
    vkDestroyPipelineLayout(device, pipelineLayout, nullptr);
    vkDestroyRenderPass(device, renderPass, nullptr);
    ...
}

这看起来很多工作量，但是在下一章节我们会把所有的组件整合起来，创建最终的图形管线对象。