索引缓冲区 · Vulkan 教程

引言

在真实应用中渲染的 3D 网格，顶点往往会在多个三角形之间共享。即便只是绘制一个矩形这样简单的任务，就已经如此：

绘制一个矩形需要两个三角形，也就是说顶点缓冲区里要有六个顶点。问题在于其中两个顶点的数据必须重复，造成 50% 的冗余。网格越复杂情况越糟，平均每个顶点会被三个三角形复用。这个问题的解决方案是使用索引缓冲区。

索引缓冲区本质上是一个存放指向顶点缓冲区的索引的数组。它让你能重排顶点数据，并让多个顶点复用已有的数据。上图展示了：如果顶点缓冲区包含四个不重复的顶点，矩形的索引缓冲区会是什么样子。前三个索引定义右上角的三角形，后三个索引定义左下角三角形的顶点。

创建索引缓冲区

本章我们要修改顶点数据，并加入索引数据，来绘制图中那样的矩形。把顶点数据改成表示四个角：

const std::vector<Vertex> vertices = {
    {{-0.5f, -0.5f}, {1.0f, 0.0f, 0.0f}},
    {{0.5f, -0.5f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f}},
    {{0.5f, 0.5f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f}},
    {{-0.5f, 0.5f}, {1.0f, 1.0f, 1.0f}}
};

左上角是红色，右上角是绿色，右下角是蓝色，左下角是白色。我们再添加一个 indices 数组，表示索引缓冲区的内容。它应当与图中的索引一致，以便画出右上角和左下角的三角形。

const std::vector<uint16_t> indices = {
    0, 1, 2, 2, 3, 0
};

根据 vertices 中元素的数量，索引缓冲区可以用 uint16_t 或 uint32_t。目前不重复的顶点不到 65535 个，所以先用 uint16_t 就好。

和顶点数据一样，索引也需要上传到 vk::raii::Buffer 中，GPU 才能访问。定义两个新的类成员来保存索引缓冲区的资源：

vk::raii::Buffer       vertexBuffer       = nullptr;
vk::raii::DeviceMemory vertexBufferMemory = nullptr;
vk::raii::Buffer       indexBuffer        = nullptr;
vk::raii::DeviceMemory indexBufferMemory  = nullptr;

接下来要添加的 createIndexBuffer 函数与 createVertexBuffer 几乎完全相同：

void initVulkan()
{
    ...
    createVertexBuffer();
    createIndexBuffer();
    ...
}

void createIndexBuffer()
{
		vk::DeviceSize bufferSize = sizeof(indices[0]) * indices.size();

		auto [stagingBuffer, stagingBufferMemory] =
		    createBuffer(bufferSize, vk::BufferUsageFlagBits::eTransferSrc, vk::MemoryPropertyFlagBits::eHostVisible | vk::MemoryPropertyFlagBits::eHostCoherent);

		void *data = stagingBufferMemory.mapMemory(0, bufferSize);
		memcpy(data, indices.data(), (size_t) bufferSize);
		stagingBufferMemory.unmapMemory();

		std::tie(indexBuffer, indexBufferMemory) =
		    createBuffer(bufferSize, vk::BufferUsageFlagBits::eIndexBuffer | vk::BufferUsageFlagBits::eTransferDst, vk::MemoryPropertyFlagBits::eDeviceLocal);

		copyBuffer(stagingBuffer, indexBuffer, bufferSize);
}

只有两处明显不同。bufferSize 现在等于索引数量乘以索引类型（uint16_t 或 uint32_t）的大小。indexBuffer 的用途应改为 vk::BufferUsageFlagBits::eIndexBuffer，而不是 vk::BufferUsageFlagBits::eVertexBuffer，这很合理。除此之外，流程完全一样。我们创建一个暂存缓冲区，把 indices 的内容复制进去，再把它复制到最终的设备本地索引缓冲区。

使用索引缓冲区

用索引缓冲区绘制需要改动 recordCommandBuffer 的两处。首先像顶点缓冲区那样绑定索引缓冲区。区别在于你只能有一个索引缓冲区。很遗憾，无法为每个顶点属性分别使用不同的索引，所以即使只有一个属性不同，也仍然必须完整复制顶点数据。

commandBuffers[frameIndex].bindVertexBuffers(0, *vertexBuffer, {0});
commandBuffers[frameIndex].bindIndexBuffer(*indexBuffer, 0, vk::IndexType::eUint16);

索引缓冲区用 vk::raii::CommandBuffer::bindIndexBuffer 绑定，参数包括索引缓冲区、它内部的字节偏移，以及索引数据的类型。前面提过，可用的类型有 vk::IndexType::eUint16 和 vk::IndexType::eUint32。

只绑定索引缓冲区还不会改变什么，还需要修改绘制命令，告诉 Vulkan 使用索引缓冲区。删掉 vk::raii::CommandBuffer::draw 那一行，换成 vk::raii::CommandBuffer::drawIndexed：

commandBuffer.drawIndexed(static_cast<uint32_t>(indices.size()), 1, 0, 0, 0);

调用这个函数与 vk::raii::CommandBuffer::draw 非常相似。前两个参数指定索引数量和实例数量。我们没有使用实例化，所以实例数写 1。索引数量表示将传给顶点着色器的顶点数。下一个参数指定索引缓冲区内的偏移，值为 1 会让显卡从第二个索引开始读取。倒数第二个参数指定在按索引访问顶点缓冲区之前加到顶点索引上的偏移。最后一个参数指定实例化用的偏移，我们没有用到。

现在运行程序，应该会看到：

现在你已经知道如何用索引缓冲区复用顶点来节省内存。在以后要加载复杂 3D 模型的章节里，这一点会格外重要。

上一章已经提到，像缓冲区这样的多个资源应当从单次内存分配中划出，但事实上还可以更进一步。驱动开发者建议，把顶点缓冲区和索引缓冲区等多个缓冲区也存进同一个 vk::raii::Buffer，并在 vk::raii::CommandBuffer::bindVertexBuffers 之类的命令中使用偏移。这样做的好处是数据排布更紧凑，对缓存更友好。如果多个资源不会在同一次渲染操作中使用，甚至可以复用同一块内存，当然前提是刷新它们的数据。这种做法称为别名（aliasing），有些 Vulkan 函数提供了显式标志来表明你要这样做。

在下一章里，我们会学习如何把频繁变化的参数传给 GPU。

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