Descriptor layout and buffer

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Descriptor layout and buffer

Introduction

이제 각 정점에 대해 임의의 속성을 정점 셰이더에 전달할 수 있습니다. 그러나 전역 변수는 어떻게 전달 할까요? 이번 강좌를 통해서 우리는 3D 그래픽의 세계로 넘어갈것 입니다. 그러기 위해서는 우리는 모델 뷰 프로젝션 매트릭스가 필요합니다. 버텍스 데이터로 포함시킬 수는 있지만 그럴경우 메모리 낭비가 있으며, 또한 좌표변환이 될 때마다 버텍스 버퍼를 업데이트 해야만 합니다. 이는 많은 비용이 들어갈 것 입니다. 변환(transformation) 은 모든 단일 프레임을 쉽게 바꿀 수 있습니다.

Vulkan에서 이 문제를 해결하는 올바른 방법은 리소스 설명자(resource descriptor) 를 사용하는 것입니다. 이 설명자는 셰이더가 버퍼 및 이미지와 같은 리소스에 자유롭게 액세스 할 수 있는 방법입니다. 우리는 변환 행렬을 포함하고 버텍스 쉐이더가 디스크립터를 통해 액세스 할 수 있도록 버퍼를 설정하려고 합니다. 설명자의 사용은 세 부분으로 구성됩니다.

• 파이프 라인 생성 중에 디스크립터 레이아웃 지정

• 디스크립터 풀에서 디스크립터 세트 할당

• 렌더링시에 디스크립터 세트를 바인드합니다.

디스크립터 레이아웃은 렌더링 패스가 액세스 할 첨부 유형을 지정하는 것처럼 파이프 라인에서 액세스 할 리소스 유형을 지정합니다. 디스크립터 세트는 프레임 버퍼가 패스 첨부물을 렌더링하기 위해 바인딩 할 실제 이미지 뷰를 지정하는 것처럼 디스크립터에 바인딩 될 실제 버퍼 또는 이미지 리소스를 지정합니다. 그 후, 디스크립터 세트는, 정점 버퍼 및 프레임 버퍼와 같이, 드로잉 커멘드에 바인드됩니다.

많은 유형의 디스크립터가 있지만 이 장에서는 UBO (uniform buffer objects)를 사용하여 작업 할 것입니다. 다음 장에서 다른 유형의 디스크립터를 살펴 보겠지만 기본 프로세스는 동일합니다. 버텍스 쉐이더가 다음과 같은 C 구조체로 데이터가 있다고 가정 해 봅시다.

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

그런 다음 VkBuffer 에 데이터를 복사하고 다음과 같이 정점 셰이더의 유니폼 버퍼 객체 설명자를 통해 액세스 할 수 있습니다.

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; }

이전 장의 사각형을 3D로 회전시키기 위해 매 프레임마다 모델, 뷰 및 투영 행렬을 업데이트 할 것입니다.

Vertex Shader

위에서 지정한 uniform 버퍼 객체를 포함하도록 버텍스 쉐이더를 수정 하십시오. 일단 우리는 MVP 변환에 익숙하다고 가정합니다. 그렇지 않은 경우 첫 번째 장에서 언급 한 자료를 참조하십시오.

#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; }



uniform, in / out 선언의 순서는 중요하지 않습니다. 바인딩 지시문은 속성에 대한 위치 지시문과 비슷합니다. 우리는 디스크립터 레이아웃에서 이 바인딩을 참조 할 것입니다.. gl_Position이 있는행은 변환을 사용하여 클립 좌표의 최종 위치를 계산하도록 변경됩니다. 2D 삼각형과 달리 클립 좌표의 마지막 구성 요소는 1이 아니므로 화면의 최종 표준화 장치 좌표로 변환 할 때 나눗셈이 발생합니다. 이것은 원근 투영으로 투시 투영에 사용되며 더 가까운 물체를 더 멀리 보이는 물체보다 크게 보이게하는 데 필수적입니다.

Descriptor set layout

다음 단계는 C ++ 측에서 UBO를 정의하고 Vulkan에게 버텍스 셰이더에서 이 설명자를 알리는 것입니다.

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

GLM에서 데이터 유형을 사용하여 셰이더의 정의와 정확하게 일치시킬 수 있습니다. 행렬의 데이터는 셰이더가 예상하는 방식과 이진 호환이 가능하므로 나중에 UniformBufferObject를 VkBuffer에 memcpy 할 수 있습니다.

우리는 파이프 라인 생성을 위해 셰이더에서 사용 된 모든 설명자 바인딩에 대한 세부 정보를 제공해야합니다. 모든 정점 특성과 위치 인덱스에 대해 수행해야 했던 것처럼 말입니다. 우리는 createDescriptorSetLayout이라는 이 모든 정보를 정의하는 새로운 함수를 설정할 것입니다.  파이프 라인이 필요하기 때문에 파이프 라인 생성 전에 바로 호출해야합니다.

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



모든 바인딩은 VkDescriptorSetLayoutBinding 구조체를 통해 작성 되어야 합니다.

void createDescriptorSetLayout() {    VkDescriptorSetLayoutBinding uboLayoutBinding = {};    uboLayoutBinding.binding = 0;    uboLayoutBinding.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER;    uboLayoutBinding.descriptorCount = 1; }

처음 두 필드는 셰이더에서 사용되는 바인딩과 디스크립터 유형을 지정합니다. 이는 uniform 버퍼 객체입니다. 셰이더 변수는 uniform 버퍼 객체의 배열을 나타낼 수 있으며, descriptorCount는 배열의 값 수를 지정합니다. 이것은 스켈레탈 애니메이션을 위한 스켈레톤에서 각 뼈에 대한 변형을 지정하는데 사용될 수 있습니다. MVP 변환은 단일 uniform 버퍼 객체이므로 descriptorCount를 1로 사용하고 있습니다.

uboLayoutBinding.stageFlags = VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT;

또한 설명자가 참조 될 셰이더 단계를 지정해야합니다. stageFlags 필드는 VkShaderStageFlagBits 값 또는 VK_SHADER_STAGE_ALL_GRAPHICS 값의 조합 일 수 있습니다. 여기서는 버텍스 쉐이더의 디스크립터만을 참조하고 있습니다.

uboLayoutBinding.pImmutableSamplers = nullptr; // Optional

pImmutableSamplers 필드는 나중에 이미지 샘플링 관련 설명자와 관련이 있습니다. 이 값을 기본값으로 둘 수 있습니다.

모든 디스크립터 바인딩은 하나의 VkDescriptorSetLayout 객체로 결합됩니다. pipelineLayout 위에 새로운 클래스 멤버를 정의하십시오.

VkDescriptorSetLayout descriptorSetLayout; VkPipelineLayout pipelineLayout;

그런 다음 vkCreateDescriptorSetLayout 을 사용하여 생성 할 수 있습니다. 이 함수는 바인딩 배열을 가진 간단한 VkDescriptorSetLayoutCreateInfo 를 받아들입니다 :

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!"); }

Vulkan에게 셰이더가 사용할 설명자를 알려주기 위해 파이프 라인 생성 중에 설명자 세트 레이아웃을 지정해야 합니다. 디스크립터 셋 레이아웃은 파이프 라인 레이아웃 객체에 지정됩니다. 레이아웃 개체를 참조하도록 VkPipelineLayoutCreateInfo 를 수정합니다.

VkPipelineLayoutCreateInfo pipelineLayoutInfo = {}; pipelineLayoutInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PIPELINE_LAYOUT_CREATE_INFO; pipelineLayoutInfo.setLayoutCount = 1; pipelineLayoutInfo.pSetLayouts = &descriptorSetLayout;

단일 디스크립션에 이미 모든 바인딩이 포함되어 있기 때문에 여러 디스크립터 세트 레이아웃을 지정하는 것이 가능한 이유가 궁금 할 수 있습니다. 다음 장에서 디스크립터 풀과 디스크립터 세트를 살펴 보겠습니다.

디스크립터 레이아웃은 새로운 그래픽 파이프 라인을 생성하는 동안, 즉 프로그램이 끝날 때까지 계속되어야합니다.

void cleanup() {    cleanupSwapChain();    vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr);    ... }

Uniform buffer

다음 장에서는 셰이더에 대한 UBO 데이터가 들어있는 버퍼를 지정 하겠지만 먼저 이 버퍼를 만들어야합니다. 우리는 매 프레임마다 새로운 데이터를 유니폼 버퍼에 복사 할 것이므로 스테이징 버퍼를 갖는 것은 실제로 의미가 없습니다. 그럴 경우 추가적인 오버 헤드가 발생하고 성능이 저하될 가능성이 큽니다.

uniformBuffer 및 uniformBufferMemory에 대한 새 클래스 멤버를 추가합니다.

VkBuffer indexBuffer; VkDeviceMemory indexBufferMemory; VkBuffer uniformBuffer; VkDeviceMemory uniformBufferMemory;

마찬가지로 createIndexBuffer 다음에 호출되고 버퍼를 할당하는 새 함수 createUniformBuffer를 만듭니다.

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); }

우리는 유니폼 버퍼를 매 프레임마다 새로운 변환으로 업데이트하는 별도의 함수를 작성하려고합니다. 따라서 여기에는 vkMapMemory가 없습니다. uniform 데이터는 모든 그리기 호출에 사용되므로 이 데이터를 포함하는 버퍼는 마지막만 제거 되어야합니다.

void cleanup() {    cleanupSwapChain();    vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptorSetLayout, nullptr);    vkDestroyBuffer(device, uniformBuffer, nullptr);    vkFreeMemory(device, uniformBufferMemory, nullptr);    ... }

Updating uniform data

새 함수 updateUniformBuffer를 만들고 main 루프에서 이 함수에 대한 호출을 추가합니다.

void mainLoop() {    while (!glfwWindowShouldClose(window)) {        glfwPollEvents();        updateUniformBuffer();        drawFrame();    }    vkDeviceWaitIdle(device); } ... void updateUniformBuffer() { }

이 함수는 모든 프레임마다 새로운 변환을 생성하여 지오메트리를 회전시킵니다. 이 기능을 구현하려면 두 개의 새로운 헤더를 포함해야합니다.

#define GLM_FORCE_RADIANS #include <glm/glm.hpp> #include <glm/gtc/matrix_transform.hpp> #include <chrono>

glm / gtc / matrix_transform.hpp 헤더는 glm :: rotate와 같은 모델 변환을 생성하고 glm :: lookAt 와 같은 변환을 사용할 수 있으며, glm :: perspective와 같이 투영 변환을 생성하는 데 사용할 수 있는 함수를 제공합니다. GLM_FORCE_RADIANS 정의는 glm :: rotate와 같은 함수가 가능한 혼동을 피하기 위해 인수로 라디안을 사용하는지 확인하는 데 필요합니다.

chrono 표준 라이브러리 헤더는 정확한 시간 계시 기능을 제공합니다. 이 기능을 사용하여 프레임 속도에 관계없이 지오메트리가 초당 90도 회전하도록 할 수 있습니다.

void updateUniformBuffer() {    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(); }

updateUniformBuffer 함수는 렌더링이 부동 소수점 정확도로 시작된 이후의 시간을 초 단위로 계산하기 위해 하용됩니다..

이제 uniform 버퍼 객체에서 모델, 뷰 및 투영 변환을 정의 할 것입니다. 모델 회전은 시간 변수를 사용하여 Z 축을 중심으로 간단한 회전이 됩니다.

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 함수는 변환, 회전 각 및 회전 축을 매개 변수로 사용합니다. glm :: mat4 (1.0f) 생성자는 단위 행렬을 반환합니다. 회전 각도 * glm :: 라디안 (90.0f)을 사용하면 초당 90도 회전의 목적을 달성합니다.

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));

뷰 변환을 위해 위에서 45도 각도로 물체들을 볼수 있습니다. glm :: lookAt 함수는 눈 위치, 중심 위치 및 상향 축을 매개 변수로 취합니다.

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

저는 45 도의 수직 시야를 가진 투시 투영법을 사용하기로했습니다. 다른 매개 변수는 종횡비, 근거리 및 원거리 뷰 평면입니다. 크기 변경 후 창의 새로운 너비와 높이를 고려하여 가로 세로 비율을 계산하려면 현재 스왑 체인 범위를 사용하는 것이 중요합니다.

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

GLM은 원래 OpenGL 용으로 설계되었으므로 클립 좌표의 Y 좌표가 반전됩니다. 이를 보상하는 가장 쉬운 방법은 투영 행렬에서 Y 축의 배율 인수를 부호로 바꾸는 것입니다. 이렇게하지 않으면 이미지가 거꾸로 렌더링됩니다.

이제 모든 변환이 정의되므로 uniform 버퍼 객체의 데이터를 uniform 버퍼에 복사 할 수 있습니다. 스테이징 버퍼가없는 경우를 제외하고는 정점 버퍼와 똑같은 방식으로 발생합니다.

void* data; vkMapMemory(device, uniformBufferMemory, 0, sizeof(ubo), 0, &data);    memcpy(data, &ubo, sizeof(ubo)); vkUnmapMemory(device, uniformBufferMemory);

이런 방식으로 UBO를 사용하면 자주 변경되는 값을 셰이더에 전달하는 가장 효율적인 방법이 아닙니다. 작은 데이터 버퍼를 셰이더에 전달하는보다 효율적인 방법은 푸시 상수입니다. 우리는 앞으로 이 내용을 살펴볼 것 입니다.

다음 장에서는 실제로 셰이더가 이 변환 데이터에 액세스 할 수 있도록 VkBuffer를 유니폼 버퍼 설명자에 바인딩하는 설명자 집합을 살펴볼 것입니다

C++ code / Vertex shader / Fragment shader

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