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Vulkan 图像之 VkImage

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VkImage

VkImage 用于存储图像数据，支持 2D、3D 图像以及多层（array）、多级别（mip levels）的图像。它可以用于纹理、渲染目标等。

Vulkan 图像比缓冲区更加复杂，因为它们是多维的，有独特的布局和格式信息，可作为过滤、深度或者模板测试等复杂操作的源或者目标。

和 VkBuffer 一样，一旦设备内存绑定到一个 VkImage 上，这个内存绑定就不能再次改变了。

VkImage 的创建

VkImage 的创建与 VkBuffer 类似，首先要确定图像的格式、用途、采样数等属性，然后通过 Vulkan 的内存分配机制来分配相应的内存。

创建过程通常涉及以下步骤：

  1. 选择图像格式和属性：根据应用需求选择合适的图像格式和维度。
  2. 创建图像：使用 vkCreateImage 函数创建一个 VkImage 对象。
  3. 查询内存要求：使用 vkGetImageMemoryRequirements 查询与图像相关的内存需求。
  4. 分配内存：根据查询到的内存要求，使用 vkAllocateMemory 分配内存。
  5. 绑定内存：使用 vkBindImageMemory 将分配的内存绑定到 VkImage 对象。

其中 vkCreateImage() 函数定义如下：

1VkResult vkCreateImage(
2VkDevice                                    device,//逻辑设备
3const VkImageCreateInfo*                    pCreateInfo,//VkImage 的创建配置信息
4const VkAllocationCallbacks*                pAllocator,//内存分配器
5VkImage*                                    pImage //创建的目标图片句柄
6);

VkImage 的创建配置信息结构体我们重点看下：

 1 typedef struct VkImageCreateInfo {
 2 VkStructureType          sType;                 // 必须是 VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_CREATE_INFO，表示该结构体的类型
 3 const void*              pNext;                 // nullptr 或指向扩展结构体的指针，用于扩展
 4 VkImageCreateFlags       flags;                 // 创建标志，通常为 0，可以指定特定的创建选项，如稀疏图像等
 5 VkImageType              imageType;             // 图像类型，指定图像是一维、二维还是三维 (VK_IMAGE_TYPE_1D, VK_IMAGE_TYPE_2D, VK_IMAGE_TYPE_3D)
 6 VkFormat                 format;                // 图像格式，指定像素数据的格式，如 VK_FORMAT_R8G8B8A8_SRGB
 7 VkExtent3D               extent;                // 图像的宽度、高度和深度，使用 VkExtent3D 结构体指定
 8 uint32_t                 mipLevels;             // mipmap 层级数，指定生成的 mipmap 级别数量
 9 uint32_t                 arrayLayers;           // 图像数组的层数，指定图像数组的层数
10 VkSampleCountFlagBits    samples;               // 采样计数，指定图像的多重采样数，如 VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT 表示单采样
11 VkImageTiling            tiling;                // 图像的tiling模式，可以是 VK_IMAGE_TILING_OPTIMAL 或 VK_IMAGE_TILING_LINEAR
12 VkImageUsageFlags        usage;                 // 图像的用途标志，指定图像如何使用，如 VK_IMAGE_USAGE_TRANSFER_DST_BIT 表示图像可作为传输目标
13 VkSharingMode            sharingMode;           // 共享模式，指定图像在多个队列族间的共享方式，如 VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE 表示独占访问
14 uint32_t                 queueFamilyIndexCount; // 队列家族索引的数量，如果共享模式为 VK_SHARING_MODE_CONCURRENT，指定队列家族数量
15 const uint32_t*          pQueueFamilyIndices;   // 指向队列家族索引的指针，指定图像可以在这些队列家族中使用
16 VkImageLayout            initialLayout;         // 图像的初始布局，指定图像创建后的初始布局，如 VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED 表示未定义布局
17 } VkImageCreateInfo;

VkImage 的属性看起来很多，其实我们只需要重点关注这几个：VkImageType、VkSampleCountFlagBits、VkImageTiling、VkImageUsageFlags、VkImageLayout。

VkImageType

VkImageType 比较好理解，设置 VKImage 是几维的。

1 typedef enum VkImageType {
2    VK_IMAGE_TYPE_1D = 0,
3    VK_IMAGE_TYPE_2D = 1,
4    VK_IMAGE_TYPE_3D = 2,
5} VkImageType;

VkExtent3D

VkExtent3D 表示图片资源的宽、高和深度（各维度上的）大小。

如何你使用的是一维图像，那么结构体VkExtent3D 的 height 和 depth 固定为 1，2D 和 3D 图像以此类推。

1 typedef struct VkExtent3D {
2    uint32_t    width;
3    uint32_t    height;
4    uint32_t    depth;
5} VkExtent3D;

VkSampleCountFlagBits

VkSampleCountFlagBits 用于设置每个像素（纹素）的采样数，也就是 OpenGL 中常说的多重采样抗锯齿（MSAA），这个时候 VkImage 一般作为 FrameBuffer 的 ColorAttachment ，后面讲 Vulkan 多重采样抗锯齿时还会展开。

Vulkan 图像之 VkImage
1 typedef enum VkSampleCountFlagBits {
2    VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT = 0x00000001,//单采样，每个像素只有一个样本。
3    VK_SAMPLE_COUNT_2_BIT = 0x00000002,//多采样，每个像素都有两个样本。
4    VK_SAMPLE_COUNT_4_BIT = 0x00000004,
5    VK_SAMPLE_COUNT_8_BIT = 0x00000008,
6    VK_SAMPLE_COUNT_16_BIT = 0x00000010,
7    VK_SAMPLE_COUNT_32_BIT = 0x00000020,
8    VK_SAMPLE_COUNT_64_BIT = 0x00000040,
9 } VkSampleCountFlagBits;

如下为 VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT 和 VK_SAMPLE_COUNT_8_BIT 的成像对比：

Vulkan 图像之 VkImage
单次采样与 8 次采样对比示意图

VkImageTiling 是 VkImage 的重要属性，它用于指定图像数据在内存中的存储布局的枚举类型。

不同的VkImageTiling值决定了图像数据在内存中的排列方式，进而影响访问图像数据的效率和方式。

1 typedef enum VkImageTiling {
2 VK_IMAGE_TILING_OPTIMAL = 0,//优化平铺
3 VK_IMAGE_TILING_LINEAR = 1,//线性平铺
4 } VkImageTiling;

当使用 VK_IMAGE_TILING_OPTIMAL 时，用于指示该图片资源将会使用GPU 端内部偏爱的结构（驱动内部结构）进行创建，这一般在GPU上高速并行读写计算时使用。

当使用 VK_IMAGE_TILING_LINEAR 时，用于指示该图片资源将会使用CPU 端偏爱的线性结构进行创建，这一般在CPU读写图片资源数据时使用。

VkImageUsageFlagBits

VkImageUsageFlagBits 用于指定 VkImage 的用途。

 1 typedef enum VkImageUsageFlagBits {
 2    VK_IMAGE_USAGE_TRANSFER_SRC_BIT = 0x00000001, // 用于数据传输的数据源。
 3    VK_IMAGE_USAGE_TRANSFER_DST_BIT = 0x00000002, // 用于数据传输的目的数据。
 4    VK_IMAGE_USAGE_SAMPLED_BIT = 0x00000004,      // 用于（纹素）采样（读取）。
 5    VK_IMAGE_USAGE_STORAGE_BIT = 0x00000008,      // 用于存储图像，这种图像可以被着色器进行读写操作。
 6    VK_IMAGE_USAGE_COLOR_ATTACHMENT_BIT = 0x00000010, // 用于作为颜色附件，即渲染目标。
 7    VK_IMAGE_USAGE_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_BIT = 0x00000020, // 用于作为深度/模板附件。
 8    VK_IMAGE_USAGE_TRANSIENT_ATTACHMENT_BIT = 0x00000040,     // 用于临时附件，数据不会被持久化存储。
 9    VK_IMAGE_USAGE_INPUT_ATTACHMENT_BIT = 0x00000080,         // 用作输入附件，可以从片段着色器读取。
10 } VkImageUsageFlagBits;

VkImageLayout

属性 VkImageLayout 图像布局定义了图像数据在内存中的组织方式，不同的布局对不同的操作有不同的性能特性，其最终目的还是为了提高设备对于该图片的操作效率。

正确的使用VkImageLayout可以保证图像在各个方面操作阶段之间的有效转换，优化性能并避免数据冲突。

 1 typedef enum VkImageLayout {
 2    VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED = 0,                       // 图像布局未定义。图像内容在这种布局下是未定义的。
 3    VK_IMAGE_LAYOUT_GENERAL = 1,                         // 图像可以用于几乎任何用途的通用布局。
 4    VK_IMAGE_LAYOUT_COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL = 2,        // 图像作为颜色附件使用时的最佳布局。
 5    VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_OPTIMAL = 3, // 图像作为深度/模板附件使用时的最佳布局。
 6    VK_IMAGE_LAYOUT_DEPTH_STENCIL_READ_ONLY_OPTIMAL = 4, // 图像作为只读的深度/模板附件使用时的最佳布局。
 7    VK_IMAGE_LAYOUT_SHADER_READ_ONLY_OPTIMAL = 5,        // 图像作为着色器资源读取时的最佳布局。
 8    VK_IMAGE_LAYOUT_TRANSFER_SRC_OPTIMAL = 6,            // 图像作为传输操作的数据源时的最佳布局。
 9    VK_IMAGE_LAYOUT_TRANSFER_DST_OPTIMAL = 7,            // 图像作为传输操作的目的地时的最佳布局。
10    VK_IMAGE_LAYOUT_PREINITIALIZED = 8,                  // 图像在初始化数据之前使用的布局。
11
12
13    VK_IMAGE_LAYOUT_PRESENT_SRC_KHR = 1000001002,// 由 VK_KHR_swapchain 提供，用于交换链的显示操作
14 } VkImageLayout;

销毁图片

销毁 VkImage 只需要通过调用 vkDestroyImage() 函数即可，其定义如下：

vkDestroyImage

1 void vkDestroyImage(
2 VkDevice                                    device,//逻辑设备
3 VkImage                                     image,//要销毁的图片
4 const VkAllocationCallbacks*                pAllocator//
5 );

VkImage 示例代码

我们创建一个 VkImage 作为用于采样的二维纹理。

 1 // 创建 VkImageCreateInfo 结构体并初始化
 2 VkImageCreateInfo imageInfo = {};
 3 imageInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_IMAGE_CREATE_INFO;  // 结构体类型
 4 imageInfo.pNext = nullptr;                              // 指向扩展信息的指针
 5 imageInfo.flags = 0;                                    // 图像创建标志
 6 imageInfo.imageType = VK_IMAGE_TYPE_2D;                 // 图像类型为 2D
 7 imageInfo.format = VK_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;            // 图像格式
 8 imageInfo.extent.width = texWidth;                      // 图像宽度
 9 imageInfo.extent.height = texHeight;                    // 图像高度
10 imageInfo.extent.depth = 1;                             // 图像深度（对于 2D 图像为 1）
11 imageInfo.mipLevels = 1;                                // MIP 级别数
12 imageInfo.arrayLayers = 1;                              // 图像数组层数
13 imageInfo.samples = VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT;              // 多重采样数量（1 表示不使用多重采样）
14 imageInfo.tiling = VK_IMAGE_TILING_LINEAR;             // 图像数据的存储方式（优化存储）
15 imageInfo.usage = VK_IMAGE_USAGE_TRANSFER_DST_BIT | VK_IMAGE_USAGE_SAMPLED_BIT; // 图像用途（作为传输目标和采样器）
16 imageInfo.sharingMode = VK_SHARING_MODE_EXCLUSIVE;      // 共享模式（独占模式）
17 imageInfo.queueFamilyIndexCount = 0;                    // 使用队列族索引的数量
18 imageInfo.pQueueFamilyIndices = &queueFamilyIndex;      // 队列族索引的指针
19 imageInfo.initialLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_UNDEFINED;    // 图像的初始布局（未定义）
20
21 VkImage textureImage; // 定义 VkImage 变量
22 // 创建图像
23 if (vkCreateImage(device, &imageInfo, nullptr, &textureImage) != VK_SUCCESS) {
24    throw std::runtime_error("failed to create texture image!"); // 如果创建图像失败，抛出异常
25}
26
27 // 获取图像的内存需求
28 VkMemoryRequirements memRequirements;
29 vkGetImageMemoryRequirements(device, textureImage, &memRequirements);
30
31 // 创建 VkMemoryAllocateInfo 结构体并初始化
32 VkMemoryAllocateInfo allocInfo = {};
33 allocInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_MEMORY_ALLOCATE_INFO; // 结构体类型
34 allocInfo.allocationSize = memRequirements.size;          // 所需内存大小
35 allocInfo.memoryTypeIndex = findMemoryType(memRequirements.memoryTypeBits, 
36    VK_MEMORY_PROPERTY_DEVICE_LOCAL_BIT);                 // 内存类型索引
37
38 VkDeviceMemory textureImageMemory; // 定义 VkDeviceMemory 变量
39 // 分配内存
40 if (vkAllocateMemory(device, &allocInfo, nullptr, &textureImageMemory) != VK_SUCCESS) {
41    throw std::runtime_error("failed to allocate texture image memory!"); // 如果分配内存失败，抛出异常
42}
43
44 // 将内存绑定到图像
45 vkBindImageMemory(device, textureImage, textureImageMemory, 0);
46
47 // Vulkan 编程...
48
49 // 使用完成后销毁资源
50 vkDestroyImage(device, textureImage, nullptr);         // 销毁图像
51 vkFreeMemory(device, textureImageMemory, nullptr);     // 释放图像内存

— END —

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