Bindless

背景简介

传统管线的渲染流程，可以简化为：

BindFrameBuffer();      // FrameBuffer
BindProgram();          // Shader
SetStates();            // PipelineState
BindTexture();          // Shader resrouces
BindBuffer();           // Shader resrouces
BindVertexBuffer()      // Vertex Buffer
BindIndexBuffer();      // Index Buffer
Draw();                 // DrawCall (Linear / Indexed)

资源需要以 DrawCall 的粒度来组织，Vulkan Descriptor 的出现可以让资源绑定进行分组预处理，如按照 Frequency-Based 方式进行组织（set 序号越大更新越频繁），如：

• set = 0：绑定 Global、Per-View、Per-Frame 资源
• set = 1：绑定 Material 资源
• set = 2：绑定 Per-Obeject，Per-Draw 资源

以上图为例，Shader 资源的绑定指令变成以下方式，这种组织方式可以有效的减少资源切换带来的开销，但是组织的粒度依旧围绕在单个 DrawCall。

// bindDescriptorSets(firstSet, pSets)
bindDescriptorSets(0, set[0, 1, 3])
draw();

bindDescriptorSets(2, set[4])
draw();

bindDescriptorSets(1, set[2, 5])
draw()

随着 DrawIndirect 方式出现，DrawCall 可以通过 Buffer 组织，IndirectDraw 可以单指令下发大量的 DrawCall，带来的典型挑战就是数据合并，其中 Texture 因为需要预先占用一个（slot，binding），需要更灵活的资源声明方式，因为 slot + binding 通常是规定的，变体的方式过于臃肿，数组或者 sparse resources 是一个不错的选择，这边先讨论数组。

Texture 数组的几种方式：

• TextureArray
• 固定数组
• Runtime-sized 数组

对应 Shader 声明：

layout (set = 0, binding = 0) uniform texture2DArray textures;
layout (set = 0, binding = 1) uniform texture2D textures0[4];
layout (set = 0, binding = 2) uniform texture2D textures1[];

• TextureArray： Format、Extent 等需要保持一致，限制太大
• 固定数组：无 TextureArray 的限制，但是大小编译时确定，灵活性受限
• Runtime-sized 数组：运行时指定

创建 Bindless DescriptorSet

主要步骤：

• 查询 Feature 支持情况，需要使用 VkPhysicalDeviceFeatures2

VkPhysicalDeviceDescriptorIndexingFeatures phyIndexingFeatures = {};
phyIndexingFeatures.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PHYSICAL_DEVICE_DESCRIPTOR_INDEXING_FEATURES;

VkPhysicalDeviceFeatures2 phyFeatures = {};
phyFeatures.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_PHYSICAL_DEVICE_FEATURES_2;
phyFeatures.pNext = &phyIndexingFeatures;
vkGetPhysicalDeviceFeatures2(pDev, &phyFeatures);

• 使能 Device Feature，主要涉及：
  runtimeDescriptorArray：允许支持 SPV 的 Runtime-sized 数组
  descriptorBindingVariableDescriptorCount：用于使能 VK_DESCRIPTOR_BINDING_VARIABLE_DESCRIPTOR_COUNT_BIT

VkPhysicalDeviceDescriptorIndexingFeatures enabledIndexingFeature{};
enabledIndexingFeature.sType                                     = VK_STRUCTURE_TYPE_PHYSICAL_DEVICE_DESCRIPTOR_INDEXING_FEATURES;
enabledIndexingFeature.runtimeDescriptorArray                    = phyIndexingFeatures.runtimeDescriptorArray;
enabledIndexingFeature.descriptorBindingVariableDescriptorCount  = phyIndexingFeatures.descriptorBindingVariableDescriptorCount;

VkDeviceCreateInfo devInfo = {};
devInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DEVICE_CREATE_INFO;
devInfo.pNext = &enabledIndexingFeature;

• 创建 DescriptorSetLayout，VkDescriptorSetLayoutBindingFlagsCreateInfo 使能 Layout 对于每个 LayoutBinding 设置 flag，主要涉及 VK_DESCRIPTOR_BINDING_VARIABLE_DESCRIPTOR_COUNT_BIT
  引入几个限制：
  • 无法使用 (UNIFORM / STORAGE) DYNAMIC 类型
  • 该 Bit 置位时，VkDescriptorSetLayoutBinding::descriptorCount 表示最大可能支持的 Descriptor 数量
  • 当前 LayoutBinding 必须保证 binding 号最大，即保证相关 Descriptor 位于队尾

VkDescriptorSetLayoutBindingFlagsCreateInfo setLayoutBindingFlags{};
setLayoutBindingFlags.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_SET_LAYOUT_BINDING_FLAGS_CREATE_INFO;
setLayoutBindingFlags.bindingCount = static_cast<uint32_t>(bindingFlags.size());
setLayoutBindingFlags.pBindingFlags = bindingFlags.data();

VkDescriptorSetLayoutCreateInfo layoutInfo = {};
layoutInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_SET_LAYOUT_CREATE_INFO;
layoutInfo.pNext = &setLayoutBindingFlags;
layoutInfo.bindingCount = static_cast<uint32_t>(bindings.size());
layoutInfo.pBindings    = bindings.data();

• 申请 DescriptorSet，需要通过 VkDescriptorSetVariableDescriptorCountAllocateInfo::pDescriptorCounts 信息，告知需要申请的实际使用的 Descriptor 数量。

VkDescriptorSetVariableDescriptorCountAllocateInfo variableDescriptorCountAllocInfo = {};
variableDescriptorCountAllocInfo.sType              = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_SET_VARIABLE_DESCRIPTOR_COUNT_ALLOCATE_INFO;
variableDescriptorCountAllocInfo.descriptorSetCount = 1;
variableDescriptorCountAllocInfo.pDescriptorCounts  = &variableDescriptors;

VkDescriptorSetAllocateInfo setInfo = {};
setInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_SET_ALLOCATE_INFO;
setInfo.pNext = &variableDescriptorCountAllocInfo;

• 更新 DescriptorSet，按照使用情况将对应的 Buffer，Image，Sampler，BufferView 等更新到对应的 index。

基础示例

• 使用 1 次 IndirectDraw，在屏幕绘制 4 个方块，每个方块分别使用一种 Material
• 利用 bindless 特性在 (0, 2) 位置绑定 4 张格式、大小存在差异的纹理
• 利用 storage buffer 合并 Material 参数
• 利用 Per-Instance VertexBuffer 传递 ObjectID
  

代码地址

• 地址：sample/VulkanBindless/src/VulkanBindlessSample.cpp