图像视图和采样器

纹理图像视图
采样器
各向异性过滤设备特性

在本章节中，我们将创建另外两个资源，这些资源是图形管线采样图像所必需的。第一个资源是我们在处理交换链图像时已经见过的，但第二个资源是新的 - 它关系到着色器如何从图像中读取纹素。

纹理图像视图

我们之前在交换链图像和帧缓冲中已经看到，图像是通过图像视图而不是直接访问的。我们还需要为纹理图像创建这样一个图像视图。

添加一个类成员来保存纹理图像的 VkImageView，并创建一个新的函数 createTextureImageView，我们将在其中创建它

VkImageView textureImageView;

...

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

...

void createTextureImageView() {

}

此函数的代码可以直接基于 createImageViews。你只需要做的两个更改是 format 和 image

VkImageViewCreateInfo viewInfo{};
viewInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_VIEW_CREATE_INFO;
viewInfo.image = textureImage;
viewInfo.viewType = VK_IMAGE_VIEW_TYPE_2D;
viewInfo.format = VK_FORMAT_R8G8B8A8_SRGB;
viewInfo.subresourceRange.aspectMask = VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT;
viewInfo.subresourceRange.baseMipLevel = 0;
viewInfo.subresourceRange.levelCount = 1;
viewInfo.subresourceRange.baseArrayLayer = 0;
viewInfo.subresourceRange.layerCount = 1;

我省略了显式的 viewInfo.components 初始化，因为 VK_COMPONENT_SWIZZLE_IDENTITY 无论如何都被定义为 0。通过调用 vkCreateImageView 完成图像视图的创建

if (vkCreateImageView(device, &viewInfo, nullptr, &textureImageView) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create texture image view!");
}

由于 createImageViews 中有如此多的逻辑是重复的，你可能希望将其抽象为一个新的 createImageView 函数

VkImageView createImageView(VkImage image, VkFormat format) {
    VkImageViewCreateInfo viewInfo{};
    viewInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_VIEW_CREATE_INFO;
    viewInfo.image = image;
    viewInfo.viewType = VK_IMAGE_VIEW_TYPE_2D;
    viewInfo.format = format;
    viewInfo.subresourceRange.aspectMask = VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT;
    viewInfo.subresourceRange.baseMipLevel = 0;
    viewInfo.subresourceRange.levelCount = 1;
    viewInfo.subresourceRange.baseArrayLayer = 0;
    viewInfo.subresourceRange.layerCount = 1;

    VkImageView imageView;
    if (vkCreateImageView(device, &viewInfo, nullptr, &imageView) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create texture image view!");
    }

    return imageView;
}

createTextureImageView 函数现在可以简化为

void createTextureImageView() {
    textureImageView = createImageView(textureImage, VK_FORMAT_R8G8B8A8_SRGB);
}

而 createImageViews 可以简化为

void createImageViews() {
    swapChainImageViews.resize(swapChainImages.size());

    for (uint32_t i = 0; i < swapChainImages.size(); i++) {
        swapChainImageViews[i] = createImageView(swapChainImages[i], swapChainImageFormat);
    }
}

确保在程序结束时，在销毁图像本身之前，销毁图像视图

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroyImageView(device, textureImageView, nullptr);

    vkDestroyImage(device, textureImage, nullptr);
    vkFreeMemory(device, textureImageMemory, nullptr);

采样器

着色器可以直接从图像中读取纹素，但这在将图像用作纹理时不是很常见。纹理通常通过采样器访问，采样器将应用过滤和变换来计算检索到的最终颜色。

这些过滤器有助于处理诸如过采样之类的问题。考虑一个纹理，它被映射到具有比纹素更多的片段的几何体。如果你只是为每个片段中的纹理坐标获取最近的纹素，那么你将得到像第一张图像这样的结果

如果你通过线性插值组合 4 个最近的纹素，那么你将获得更平滑的结果，如右图所示。当然，你的应用程序可能有更符合左侧风格的艺术风格要求（想想 Minecraft），但在传统的图形应用程序中，右侧风格是首选。采样器对象在从纹理读取颜色时会自动应用此过滤。

欠采样是相反的问题，你有比片段更多的纹素。当以锐角采样高频图案（如棋盘纹理）时，这将导致伪影

如左图所示，纹理在远处变成模糊的混乱。解决这个问题的方法是各向异性过滤，它也可以由采样器自动应用。

除了这些过滤器之外，采样器还可以处理变换。它通过其寻址模式确定当你尝试读取图像外部的纹素时会发生什么。下图显示了一些可能性

我们现在将创建一个函数 createTextureSampler 来设置这样一个采样器对象。我们将在稍后的着色器中使用该采样器从纹理中读取颜色。

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

...

void createTextureSampler() {

}

采样器通过 VkSamplerCreateInfo 结构配置，该结构指定了它应应用的所有过滤器和变换。

VkSamplerCreateInfo samplerInfo{};
samplerInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SAMPLER_CREATE_INFO;
samplerInfo.magFilter = VK_FILTER_LINEAR;
samplerInfo.minFilter = VK_FILTER_LINEAR;

magFilter 和 minFilter 字段指定如何插值放大或缩小的纹素。放大涉及上面描述的过采样问题，缩小涉及欠采样。选择是 VK_FILTER_NEAREST 和 VK_FILTER_LINEAR，对应于上面图像中演示的模式。

samplerInfo.addressModeU = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;
samplerInfo.addressModeV = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;
samplerInfo.addressModeW = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;

可以使用 addressMode 字段按轴指定寻址模式。可用值在下面列出。其中大多数在上面的图像中演示。请注意，轴称为 U、V 和 W 而不是 X、Y 和 Z。这是纹理空间坐标的约定。

VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT：当超出图像尺寸时重复纹理。
VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_MIRRORED_REPEAT：类似于重复，但在超出尺寸时反转坐标以镜像图像。
VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_EDGE：获取最接近超出图像尺寸的坐标的边缘颜色。
VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_MIRROR_CLAMP_TO_EDGE：类似于 clamp to edge，但使用与最接近边缘相反的边缘。
VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_BORDER：当采样超出图像尺寸时返回纯色。

在这里使用哪种寻址模式并不重要，因为在本教程中我们不会在图像外部进行采样。但是，重复模式可能是最常见的模式，因为它可用于平铺纹理，如地板和墙壁。

samplerInfo.anisotropyEnable = VK_TRUE;
samplerInfo.maxAnisotropy = ???;

这两个字段指定是否应使用各向异性过滤。除非性能是一个问题，否则没有理由不使用它。 maxAnisotropy 字段限制了可用于计算最终颜色的纹素样本数量。较低的值会导致更好的性能，但质量结果较低。为了弄清楚我们可以使用的值，我们需要检索物理设备的属性，如下所示

VkPhysicalDeviceProperties properties{};
vkGetPhysicalDeviceProperties(physicalDevice, &properties);

如果你查看 VkPhysicalDeviceProperties 结构的文档，你会看到它包含一个名为 limits 的 VkPhysicalDeviceLimits 成员。这个结构反过来又有一个名为 maxSamplerAnisotropy 的成员，这是我们可以为 maxAnisotropy 指定的最大值。如果我们想要获得最大质量，我们可以直接使用该值

samplerInfo.maxAnisotropy = properties.limits.maxSamplerAnisotropy;

你可以选择在程序开始时查询属性，并将它们传递给需要它们的函数，或者在 createTextureSampler 函数本身中查询它们。

samplerInfo.borderColor = VK_BORDER_COLOR_INT_OPAQUE_BLACK;

borderColor 字段指定在使用 clamp to border 寻址模式采样超出图像的颜色时返回的颜色。可以以浮点或整数格式返回黑色、白色或透明色。你不能指定任意颜色。

samplerInfo.unnormalizedCoordinates = VK_FALSE;

unnormalizedCoordinates 字段指定你要使用哪个坐标系来寻址图像中的纹素。如果此字段为 VK_TRUE，那么你可以简单地使用 [0, texWidth) 和 [0, texHeight) 范围内的坐标。如果为 VK_FALSE，则纹素使用所有轴上的 [0, 1) 范围寻址。实际应用程序几乎总是使用归一化坐标，因为这样就可以使用具有完全相同坐标的不同分辨率的纹理。

samplerInfo.compareEnable = VK_FALSE;
samplerInfo.compareOp = VK_COMPARE_OP_ALWAYS;

如果启用了比较函数，则纹素将首先与一个值进行比较，并且该比较的结果用于过滤操作。这主要用于阴影贴图上的百分比接近过滤。我们将在以后的章节中讨论这一点。

samplerInfo.mipmapMode = VK_SAMPLER_MIPMAP_MODE_LINEAR;
samplerInfo.mipLodBias = 0.0f;
samplerInfo.minLod = 0.0f;
samplerInfo.maxLod = 0.0f;

所有这些字段都适用于 mipmapping。我们将在后面的章节中讨论 mipmapping，但基本上它是可以应用的另一种类型的过滤器。

采样器的功能现已完全定义。添加一个类成员来保存采样器对象的句柄，并使用 vkCreateSampler 创建采样器

VkImageView textureImageView;
VkSampler textureSampler;

...

void createTextureSampler() {
    ...

    if (vkCreateSampler(device, &samplerInfo, nullptr, &textureSampler) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create texture sampler!");
    }
}

请注意，采样器在任何地方都没有引用 VkImage。采样器是一个独特的对象，它提供了一个从纹理中提取颜色的接口。它可以应用于你想要的任何图像，无论是 1D、2D 还是 3D。这与许多旧的 API 不同，后者将纹理图像和过滤组合到一个状态中。

在程序结束时，当我们不再访问图像时，销毁采样器

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroySampler(device, textureSampler, nullptr);
    vkDestroyImageView(device, textureImageView, nullptr);

    ...
}

各向异性过滤设备特性

如果你现在运行你的程序，你将看到这样的验证层消息

那是因为各向异性过滤实际上是一个可选的设备特性。我们需要更新 createLogicalDevice 函数来请求它

VkPhysicalDeviceFeatures deviceFeatures{};
deviceFeatures.samplerAnisotropy = VK_TRUE;

即使现代显卡不太可能不支持它，我们也应该更新 isDeviceSuitable 以检查它是否可用

bool isDeviceSuitable(VkPhysicalDevice device) {
    ...

    VkPhysicalDeviceFeatures supportedFeatures;
    vkGetPhysicalDeviceFeatures(device, &supportedFeatures);

    return indices.isComplete() && extensionsSupported && swapChainAdequate && supportedFeatures.samplerAnisotropy;
}

vkGetPhysicalDeviceFeatures 重新利用 VkPhysicalDeviceFeatures 结构来指示支持的特性，而不是通过设置布尔值请求的特性。

除了强制各向异性过滤的可用性之外，也可以通过有条件地设置来简单地不使用它

samplerInfo.anisotropyEnable = VK_FALSE;
samplerInfo.maxAnisotropy = 1.0f;

在下一章中，我们将向着色器公开图像和采样器对象，以将纹理绘制到正方形上。

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