图像视图与采样器

原文链接：https://kylemayes.github.io/vulkanalia/texture/image_view_and_sampler.html

Commit Hash: ceb4a3fc6d8ca565af4f8679c4889bcad7941338

本章代码：main.rs

在本章中，我们将会创建两个新的图形管线中采样图像所必须的资源。第一个资源我们在之前使用交换链图像时已经见过了，但是第二个资源是全新的，它与着色器如何从图像中读取像素有关。

纹理图像视图

正如我们之前在交换链图像和帧缓冲中所见到的，图像不能直接访问，而是要通过图像视图来访问。我们也需要为纹理图像创建这样的图像视图。

在 AppData 中添加一个 vk::ImageView 字段来保存纹理图像的图像视图，并创建一个新的函数 create_texture_image_view 来创建它：

impl App {
    unsafe fn create(window: &Window) -> Result<Self> {
        // ...
        create_texture_image(&instance, &device, &mut data)?;
        create_texture_image_view(&device, &mut data)?;
        // ...
    }
}

struct AppData {
    // ...
    texture_image: vk::Image,
    texture_image_memory: vk::DeviceMemory,
    texture_image_view: vk::ImageView,
    // ...
}

unsafe fn create_texture_image_view(device: &Device, data: &mut AppData) -> Result<()> {
    Ok(())
}

这个函数的代码可以直接基于 create_swapchain_image_views。你只需要修改 format 和 image：

let subresource_range = vk::ImageSubresourceRange::builder()
    .aspect_mask(vk::ImageAspectFlags::COLOR)
    .base_mip_level(0)
    .level_count(1)
    .base_array_layer(0)
    .layer_count(1);

let info = vk::ImageViewCreateInfo::builder()
    .image(data.texture_image)
    .view_type(vk::ImageViewType::_2D)
    .format(vk::Format::R8G8B8A8_SRGB)
    .subresource_range(subresource_range);

我省略了显式的 components 初始化，因为 vk::ComponentSwizzle::IDENTITY 的值就是 0。通过调用 create_image_view 来完成图像视图的创建：

data.texture_image_view = device.create_image_view(&info, None)?;

这里的很多逻辑都和 create_swapchain_image_views 重复了，你可能希望将这些逻辑抽出来，写成一个新的 create_image_view 函数：

unsafe fn create_image_view(
    device: &Device,
    image: vk::Image,
    format: vk::Format,
) -> Result<vk::ImageView> {
    let subresource_range = vk::ImageSubresourceRange::builder()
        .aspect_mask(vk::ImageAspectFlags::COLOR)
        .base_mip_level(0)
        .level_count(1)
        .base_array_layer(0)
        .layer_count(1);

    let info = vk::ImageViewCreateInfo::builder()
        .image(image)
        .view_type(vk::ImageViewType::_2D)
        .format(format)
        .subresource_range(subresource_range);

    Ok(device.create_image_view(&info, None)?)
}

有了这个函数，create_texture_image_view 函数就可以简化为：

unsafe fn create_texture_image_view(device: &Device, data: &mut AppData) -> Result<()> {
    data.texture_image_view = create_image_view(
        device,
        data.texture_image,
        vk::Format::R8G8B8A8_SRGB,
    )?;

    Ok(())
}

而 create_swapchain_image_views 可以简化为：

unsafe fn create_swapchain_image_views(device: &Device, data: &mut AppData) -> Result<()> {
    data.swapchain_image_views = data
        .swapchain_images
        .iter()
        .map(|i| create_image_view(device, *i, data.swapchain_format))
        .collect::<Result<Vec<_>, _>>()?;

    Ok(())
}

记得在程序结束时，在销毁图像之前销毁图像视图：

unsafe fn destroy(&mut self) {
    self.destroy_swapchain();
    self.device.destroy_image_view(self.data.texture_image_view, None);
    // ...
}

采样器（sampler）

着色器可以直接从图像中读取像素，但当图像被用作纹理时，这种做法并不常见。纹理通常是通过采样器访问的，采样器会应用过滤和变换来计算最终的颜色。

这些过滤器有助于解决采样过密（oversampling）的问题。考虑一个纹理，它被映射到的几何体的片段数比纹素数多。如果你只是简单地为每个片段的纹理坐标取最近的纹素，那么你会得到如下第一张图像的结果：

如果你用线性插值结合了最近的 4 个纹素，那么你会得到一个更平滑的结果，如右图所示。当然，左图可能更适合你的应用程序的艺术风格要求（想想 Minecraft），但是在传统的图形应用程序中，右图更受欢迎。当从纹理中读取颜色时，采样器对象会自动为你应用这种过滤。

而当纹素数量多于片段时，就会出现采样过疏（undersampling）的问题。当以锐角采样棋盘纹理这样的高频图案时，就会出现伪影：

在左图中，纹理在远处变成了一团模糊的东西。解决这个问题的方法是各向异性过滤，采样器也可以自动应用它。

除了这些过滤器之外，采样器还可以处理变换。它决定了当你尝试通过其*寻址模式（addressing mode）*读取图像外的纹素时会发生什么。下面的图像展示了一些可能性：

现在我们创建一个 create_texture_sampler 函数来设置一个这样的采样器对象。之后我们会在着色器中使用这个采样器来从纹理中读取颜色。

impl App {
    unsafe fn create(window: &Window) -> Result<Self> {
        // ...
        create_texture_image(&instance, &device, &mut data)?;
        create_texture_image_view(&device, &mut data)?;
        create_texture_sampler(&device, &mut data)?;
        // ...
    }
}

unsafe fn create_texture_sampler(device: &Device, data: &mut AppData) -> Result<()> {
    Ok(())
}

采样器是通过 vk::SamplerCreateInfo 结构进行配置的，它指定了它应该应用的所有过滤器和变换。

let info = vk::SamplerCreateInfo::builder()
    .mag_filter(vk::Filter::LINEAR)
    .min_filter(vk::Filter::LINEAR)
    // continued...

mag_filter 和 min_filter 字段指定了如何插值放大或缩小的纹素。放大涉及上面描述的采样过密问题，而缩小涉及到采样过疏。选项有 vk::Filter::NEAREST 和 vk::Filter::LINEAR，分别对应上面图像中演示的模式。

    .mipmap_mode(vk::SamplerMipmapMode::LINEAR)

    .address_mode_u(vk::SamplerAddressMode::REPEAT)
    .address_mode_v(vk::SamplerAddressMode::REPEAT)
    .address_mode_w(vk::SamplerAddressMode::REPEAT)

寻址模式可以使用 address_mode 字段按轴指定。可用的值如下所示。上面的图像演示了其中的大多数。请注意，这些轴被称为 U、V 和 W，而不是 X、Y 和 Z。这是纹理空间坐标的约定。

vk::SamplerAddressMode::REPEAT – 超出图像尺寸时重复纹理。
vk::SamplerAddressMode::MIRRORED_REPEAT – 类似于重复，但是在超出尺寸时反转坐标以镜像图像。
vk::SamplerAddressMode::CLAMP_TO_EDGE – 超出图像尺寸时取最接近坐标的边缘的颜色。
vk::SamplerAddressMode::MIRROR_CLAMP_TO_EDGE – 类似于 clamp to edge，但是使用与最接近边缘相反的边缘。
vk::SamplerAddressMode::CLAMP_TO_BORDER – 超出图像尺寸时返回一个纯色。

这里我们用什么寻址模式都无所谓，因为在本教程中我们不会采样到图像外面。不过，重复模式可能是最常见的模式，因为它可以被用来在绘制像地板和墙壁这样的物体时平铺纹理。

    .anisotropy_enable(true)
    .max_anisotropy(16.0)

如果要使用各向异性过滤，我们需要指定两个字段。除非遇到了性能问题，不然没理由不启用各向异性过滤。max_anisotropy 字段限制了用于计算最终颜色的纹素样本的数量。将其设为较低的值能带来更好的性能，但也会降低渲染的质量。目前没有任何图形硬件会使用超过 16 个样本，因为就算使用了超过这个数量的样本，带来的视觉提升也可以忽略。

    .border_color(vk::BorderColor::INT_OPAQUE_BLACK)

border_color 字段指定了在使用 clamp to border 寻址模式时，采样超出图像范围时返回的颜色。可以返回黑色、白色或透明色，可以是浮点或整数格式。不能指定任意颜色。

    .unnormalized_coordinates(false)

unnormalized_coordinates 字段指定了你是否要使用未标准化的坐标系来寻址图像中的纹素。如果这个字段是 true，那么你可以简单地使用 [0, width) 和 [0, height) 范围内的坐标。如果是 false，那么纹素将在所有轴上使用 [0, 1) 范围来寻址。现实世界中的应用几乎总是使用标准化坐标，因为这样就可以用完全相同的坐标使用不同分辨率的纹理。

    .compare_enable(false)
    .compare_op(vk::CompareOp::ALWAYS)

如果启用了比较函数，那么纹素将首先与一个值进行比较，比较的结果将被用于过滤操作。这主要用于阴影贴图上的近似百分比过滤。我们将在后面的章节中介绍这个。

    .mipmap_mode(vk::SamplerMipmapMode::LINEAR)
    .mip_lod_bias(0.0)
    .min_lod(0.0)
    .max_lod(0.0);

接下来的这些字段都与多级渐远有关。我们将在后面的章节中介绍多级渐远，但简单来说它就是另一种过滤器。

采样器的功能现在已经完全定义了。添加一个 AppData 字段来保存采样器对象的句柄：

struct AppData {
    // ...
    texture_image_view: vk::ImageView,
    texture_sampler: vk::Sampler,
    // ...
}

接着使用 create_sampler 函数来创建这个采样器：

data.texture_sampler = device.create_sampler(&info, None)?;

注意采样器不引用 vk::Image。采样器是一个独立的对象，它提供了从纹理中提取颜色的接口。采样器可以应用于任何你想要的图像，无论是 1D、2D 还是 3D。这与许多旧的 API 不同，旧的 API 将纹理图像和过滤器组合成一个单一的状态。

在程序结束、我们不再访问图像之后销毁采样器：

unsafe fn destroy(&mut self) {
    self.destroy_swapchain();
    self.device.destroy_sampler(self.data.texture_sampler, None);
    // ...
}

各向异性设备特性

如果你现在运行程序，你会看到一条类似这样的校验层消息：

这是因为各向异性过滤其实是一项可选的设备特性。我们需要更新 create_logical_device 函数来请求它：

let features = vk::PhysicalDeviceFeatures::builder()
    .sampler_anisotropy(true);

并且尽管现代显卡不支持各向异性过滤的可能性非常小，但我们还是应该更新 check_physical_device 来检查它是否可用：

unsafe fn check_physical_device(
    instance: &Instance,
    data: &AppData,
    physical_device: vk::PhysicalDevice,
) -> Result<()> {
    // ...

    let features = instance.get_physical_device_features(physical_device);
    if features.sampler_anisotropy != vk::TRUE {
        return Err(anyhow!(SuitabilityError("No sampler anisotropy.")));
    }

    Ok(())
}

get_physical_device_features 重用了 vk::PhysicalDeviceFeatures 结构体，通过设置布尔值来指示支持哪些特性，而不是请求哪些特性。

你也可以根据条件来设置，而不是强制使用各向异性过滤：

    .anisotropy_enable(false)
    .max_anisotropy(1.0)

下一章中，我们将把图像和采样器对象暴露给着色器，以便将纹理绘制到正方形上。

Vulkan 教程（Rust）

图像视图与采样器

纹理图像视图

采样器（sampler）

各向异性设备特性