图像视图与采样器 · Vulkan 教程

本章要再创建两个资源，图形管线采样图像时要用到它们。第一个资源在处理交换链图像时已经见过，第二个则是新的——它关系到着色器如何从图像中读取纹素。

纹理图像视图

前面处理交换链图像和帧缓冲时已经看到，图像要通过图像视图访问，而不能直接访问。纹理图像同样需要创建这样的图像视图。

新增一个类成员保存纹理图像的 vk::raii::ImageView，再新建 createTextureImageView 函数，在其中创建它：

vk::raii::ImageView textureImageView = nullptr;

...

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

...

void createTextureImageView()
{
}

这个函数的代码可以直接照搬 createImageViews。只需改动两处：format 和 image：

vk::ImageViewCreateInfo viewInfo{
    .image            = image,
    .viewType         = vk::ImageViewType::e2D,
    .format           = format,
    .subresourceRange = {.aspectMask = vk::ImageAspectFlagBits::eColor, .baseMipLevel = 0, .levelCount = 1, .baseArrayLayer = 0, .layerCount = 1}};

这里省略了 viewInfo.components 的显式初始化，因为它本来就会默认初始化为 vk::ComponentSwizzle::eIdentity。调用 vk::raii::ImageView 构造函数完成图像视图的创建：

textureImageView = vk::raii::ImageView(device, viewInfo);

由于大量逻辑与 createImageViews 重复，不妨把它抽象成新的 createImageView 函数：

vk::raii::ImageView createImageView(vk::Image const &image, vk::Format format)
{
  vk::ImageViewCreateInfo viewInfo{
      .image            = image,
      .viewType         = vk::ImageViewType::e2D,
      .format           = format,
      .subresourceRange = {.aspectMask = vk::ImageAspectFlagBits::eColor, .baseMipLevel = 0, .levelCount = 1, .baseArrayLayer = 0, .layerCount = 1}};
  return vk::raii::ImageView(device, viewInfo);
}

现在 createTextureImageView 可以简化为：

void createTextureImageView()
{
  textureImageView = createImageView(*textureImage, vk::Format::eR8G8B8A8Srgb);
}

createImageViews 也可以简化为：

void createImageViews()
{
  assert(swapChainImageViews.empty());

  swapChainImageViews.reserve(swapChainImages.size());
  for ( auto &image: swapChainImages )
  {
    swapChainImageViews.emplace_back(createImageView(image, swapChainSurfaceFormat.format));
  }
}

采样器

着色器当然可以直接从图像读取纹素，但把图像当作纹理使用时，这种做法并不常见。纹理通常通过采样器访问，采样器会施加过滤和变换，算出最终取回的颜色。

这些过滤器有助于处理过采样之类的问题。设想把纹理映射到几何体上，产生的片元比纹素还多。如果对每个片元只取离其纹理坐标最近的纹素，就会得到第一张图那样的结果：

如果对最近的 4 个纹素做线性插值，结果会像右图那样更平滑。当然，你的应用可能有更青睐左侧风格的美术需求（想想 Minecraft），但在常规图形应用中，右侧才是首选。从纹理读取颜色时，采样器对象会自动应用这种过滤。

欠采样是相反的问题：纹素比片元多。以很斜的角度采样棋盘格这类高频图案时，就会因此产生伪影：

如左图所示，远处的纹理会变得一片模糊。解决办法是各向异性过滤，采样器同样可以自动应用它。

除过滤之外，采样器还能处理变换。它通过寻址模式（addressing mode）决定：当你尝试读取图像之外的纹素时会发生什么。下图展示了其中几种可能：

接下来创建一个 createTextureSampler 函数来设置这样的采样器对象。稍后我们会用这个采样器在着色器里从纹理读取颜色。

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

...

void createTextureSampler()
{
}

采样器通过 vk::SamplerCreateInfo 结构体配置，其中指定它要应用的所有过滤和变换。

vk::SamplerCreateInfo samplerInfo{.magFilter = vk::Filter::eLinear, .minFilter = vk::Filter::eLinear};

magFilter 和 minFilter 字段指定放大或缩小时如何对纹素插值。放大对应上面说的过采样问题，缩小对应欠采样。可选值为 vk::Filter::eNearest 和 vk::Filter::eLinear，对应上面图中演示的两种模式。

vk::SamplerCreateInfo samplerInfo{.magFilter    = vk::Filter::eLinear,
                                  .minFilter    = vk::Filter::eLinear,
                                  .mipmapMode   = vk::SamplerMipmapMode::eLinear,
                                  .addressModeU = vk::SamplerAddressMode::eRepeat,
                                  .addressModeV = vk::SamplerAddressMode::eRepeat,
                                  .addressModeW = vk::SamplerAddressMode::eRepeat};

寻址模式可以用 addressMode 系列字段按轴分别指定。可用取值如下。其中大多在上面的图中演示过。注意坐标轴称为 U、V、W，而不是 X、Y、Z。这是纹理空间坐标的惯例。

vk::SamplerAddressMode::eRepeat：超出图像尺寸时重复纹理。
vk::SamplerAddressMode::eMirroredRepeat：类似重复，但超出尺寸时反转坐标以镜像图像。
vk::SamplerAddressMode::eClampToEdge：超出图像尺寸时，取离该坐标最近的边缘颜色。
vk::SamplerAddressMode::eMirrorClampToEdge：类似钳制到边缘，但改用与最近边缘相对的边缘。
vk::SamplerAddressMode::eClampToBorder：在图像尺寸之外采样时返回纯色。

这里用哪种寻址模式其实都无所谓，因为本教程不会在图像之外采样。不过重复模式大概是最常见的，因为它可以用来平铺地板、墙壁之类的纹理。

vk::PhysicalDeviceProperties properties = physicalDevice.getProperties();
vk::SamplerCreateInfo        samplerInfo{.magFilter        = vk::Filter::eLinear,
                                         .minFilter        = vk::Filter::eLinear,
                                         .mipmapMode       = vk::SamplerMipmapMode::eLinear,
                                         .addressModeU     = vk::SamplerAddressMode::eRepeat,
                                         .addressModeV     = vk::SamplerAddressMode::eRepeat,
                                         .addressModeW     = vk::SamplerAddressMode::eRepeat,
                                         .anisotropyEnable = vk::True,
                                         .maxAnisotropy    = properties.limits.maxSamplerAnisotropy};

anisotropyEnable 字段指定是否使用各向异性过滤。除非在意性能，否则没有理由不开。 maxAnisotropy 字段限制计算最终颜色时可用的纹素采样数。取值越低性能越好，但质量也越低。要确定能用多大的值，需要像这样获取物理设备的属性：

vk::PhysicalDeviceProperties properties = physicalDevice.getProperties();

查看 vk::PhysicalDeviceProperties 结构体的文档会发现，它包含一个名为 limits 的 vk::PhysicalDeviceLimits 成员。这个结构体又有一个 maxSamplerAnisotropy 成员，它就是 maxAnisotropy 能指定的最大值。如果想要最高质量，直接用这个值即可。你可以在程序开始时查询属性并传给需要的函数，也可以在 createTextureSampler 函数里直接查询。

vk::PhysicalDeviceProperties properties = physicalDevice.getProperties();
vk::SamplerCreateInfo        samplerInfo{.magFilter        = vk::Filter::eLinear,
                                         .minFilter        = vk::Filter::eLinear,
                                         .mipmapMode       = vk::SamplerMipmapMode::eLinear,
                                         .addressModeU     = vk::SamplerAddressMode::eRepeat,
                                         .addressModeV     = vk::SamplerAddressMode::eRepeat,
                                         .addressModeW     = vk::SamplerAddressMode::eRepeat,
                                         .anisotropyEnable = vk::True,
                                         .maxAnisotropy    = properties.limits.maxSamplerAnisotropy,
                                         .compareEnable    = vk::False,
                                         .compareOp        = vk::CompareOp::eAlways};

samplerInfo.borderColor = vk::BorderColor::eIntOpaqueBlack;

borderColor 字段指定使用钳制到边框寻址模式、在图像之外采样时返回哪种颜色。可以返回黑色、白色或透明色，格式可以是浮点或整数。但不能指定任意颜色。

samplerInfo.unnormalizedCoordinates = vk::False;

unnormalizedCoordinates 字段指定用哪种坐标系来定位图像中的纹素。如果该字段为 vk::True，就可以直接使用 [0, texWidth) 和 [0, texHeight) 范围内的坐标。如果为 vk::False，所有轴上都用 [0, 1) 范围来定位纹素。实际应用几乎总是使用归一化坐标，因为这样就能用完全相同的坐标去使用不同分辨率的纹理。

samplerInfo.compareEnable = vk::False;
samplerInfo.compareOp = vk::CompareOp::eAlways;

如果启用了比较函数，纹素会先与某个值比较，比较结果再参与过滤运算。这主要用于阴影贴图上的百分比靠近过滤（percentage-closer filtering）。后续章节会讲到。

samplerInfo.mipmapMode = vk::SamplerMipmapMode::eLinear;
samplerInfo.mipLodBias = 0.0f;
samplerInfo.minLod = 0.0f;
samplerInfo.maxLod = 0.0f;

这些字段都与 mipmap 有关。 mipmap 会在后面的章节中讲解，简单说它是另一种可以施加的过滤。

采样器的行为到此就完整定义了。新增一个类成员保存采样器对象的句柄，并用 vkCreateSampler 创建采样器：

vk::raii::ImageView    textureImageView   = nullptr;
vk::raii::Sampler      textureSampler     = nullptr;

...

void createTextureSampler()
{
    ...

    textureSampler = vk::raii::Sampler(device, samplerInfo);
}

注意，采样器在任何地方都没有引用 vk::Image。采样器是一个独立对象，提供从纹理中提取颜色的接口。它可以应用到任何图像上，无论是一维、二维还是三维。这与许多旧 API 不同，后者把纹理图像和过滤合并成单一状态。

各向异性设备特性

如果现在运行程序，会看到类似这样的验证层消息：

这是因为各向异性过滤实际上是一项可选的设备特性。需要修改 createLogicalDevice 函数来请求它：

vk::StructureChain<vk::PhysicalDeviceFeatures2, vk::PhysicalDeviceVulkan13Features, vk::PhysicalDeviceExtendedDynamicStateFeaturesEXT> featureChain = {
    {.features = {.samplerAnisotropy = true } },            // vk::PhysicalDeviceFeatures2
    {.synchronization2 = true, .dynamicRendering = true },  // vk::PhysicalDeviceVulkan13Features
    {.extendedDynamicState = true }                         // vk::PhysicalDeviceExtendedDynamicStateFeaturesEXT
};

尽管现代显卡几乎不可能不支持它，我们还是应该更新 isDeviceSuitable，检查该特性是否可用：

bool isDeviceSuitable(VkPhysicalDevice device)
{
    ...

		auto features                 = physicalDevice.template getFeatures2<vk::PhysicalDeviceFeatures2,
		                                                                     vk::PhysicalDeviceVulkan13Features,
		                                                                     vk::PhysicalDeviceExtendedDynamicStateFeaturesEXT>();
		bool supportsRequiredFeatures = features.template get<vk::PhysicalDeviceFeatures2>().features.samplerAnisotropy &&
		                                features.template get<vk::PhysicalDeviceVulkan13Features>().dynamicRendering &&
		                                features.template get<vk::PhysicalDeviceVulkan13Features>().synchronization2 &&
		                                features.template get<vk::PhysicalDeviceExtendedDynamicStateFeaturesEXT>().extendedDynamicState;

		// Return true if the physicalDevice meets all the criteria
		return supportsVulkan1_3 && supportsGraphics && supportsAllRequiredExtensions && supportsRequiredFeatures;
}

vk::raii::PhysicalDevice::getFeatures2 复用了 vk::PhysicalDeviceFeatures 结构体，通过设置其中的布尔值来表示哪些特性受支持，而不是请求哪些特性。

除了强制要求各向异性过滤可用，也可以干脆按条件关掉它：

samplerInfo.anisotropyEnable = vk::False;
samplerInfo.maxAnisotropy = 1.0f;

在下一章中，我们会把图像和采样器对象暴露给着色器，把纹理绘制到正方形上。

C++ 代码 / Slang 着色器 / GLSL 顶点着色器 / GLSL 片元着色器