渲染通道

渲染通道概念

在 Vulkan API 中，渲染通道（Render Pass） 是一个核心概念，用于定义渲染操作的框架，包括帧缓冲（Framebuffer）的附件（Attachments）、子通道（Subpasses）之间的依赖关系以及数据如何在不同渲染阶段传递。

1. 渲染通道（Render Pass）的核心作用

• 描述渲染目标：定义颜色、深度、模板等附件的格式和用途（如输入、输出或保留）。
• 组织子通道（Subpasses）：将渲染过程分解为多个逻辑阶段，避免冗余的内存读写（如延迟渲染中的 G-Buffer 生成和光照计算）。
• 优化性能：通过明确的依赖关系，指导驱动进行内存布局转换（如从 COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL 到 SHADER_READ_OPTIMAL）。

2. 与其他 Vulkan 组件的关系

组件	与渲染通道的关系
管线（Pipeline）	管线创建时需要绑定到特定的渲染通道和子通道，确定着色器如何访问附件（如 layout(location=0) out vec4 outColor）。
帧缓冲（Framebuffer）	帧缓冲的附件必须与渲染通道中定义的附件匹配（格式、数量）。渲染通道是帧缓冲的“蓝图”。
命令缓冲（Command Buffer）	在命令缓冲中，vkCmdBeginRenderPass 和 vkCmdEndRenderPass 之间记录渲染命令，依赖渲染通道的配置。
同步（Synchronization）	子通道依赖和外部依赖（如与交换链图像的同步）通过 VkSubpassDependency 和管线屏障（Barrier）管理。

设置

在我们完成管线的创建之前，我们需要告诉 Vulkan 将在渲染时使用的帧缓冲附件。 我们还需要指定将有多少颜色和深度缓冲，每个缓冲使用多少个采样，以及它们的内容在整个渲染操作中应如何处理。

所有这些信息都封装在一个渲染通道对象中，我们需要为此创建一个新的 createRenderPass 函数。 在 createGraphicsPipeline 之前从 initVulkan 调用此函数：

void initVulkan() {
    createInstance();
    setupDebugMessenger();
    createSurface();
    pickPhysicalDevice();
    createLogicalDevice();
    createSwapChain();
    createImageViews();
    createRenderPass();
    createGraphicsPipeline();
}

// ...

void createRenderPass() {

}

附件描述

在我们的例子中，我们将只有一个颜色缓冲附件，由交换链中的一个图像表示。

vk::AttachmentDescription colorAttachment;

注意渲染通道只包含附件的“描述”，而实际的附件对象绑定在帧缓冲上。
你需要保证渲染通道的附件“描述”和帧缓冲实际绑定的“附件”一一对应。

1. 颜色附件格式

必须与交换链图像格式一致，确保渲染输出与显示兼容。所以我们使用m_swapChainImageFormat。

colorAttachment.format = m_swapChainImageFormat;

2. 采样方式

和之前的多重采样一样，设置e1即可：

colorAttachment.samples = vk::SampleCountFlagBits::e1;

3. 数据加载与存储操作

操作类型	常见选项	用途
loadOp	vk::AttachmentLoadOp::eLoad	保留附件现有内容（如叠加多帧渲染）。
	vk::AttachmentLoadOp::eClear	渲染前清除为指定值（如黑色背景）。
	vk::AttachmentLoadOp::eDontCare	忽略现有内容（性能优化，适用于首次写入的附件）。
storeOp	vk::AttachmentStoreOp::eStore	保存渲染结果（需后续读取或显示）。
	vk::AttachmentStoreOp::eDontCare	丢弃渲染结果（适用于临时中间附件）。

对于 loadOp，我们将使用清除操作在绘制新帧之前将帧缓冲清除为黑色。对于 storeOp， 我们有兴趣在屏幕上看到渲染的三角形，因此我们在这里使用存储操作。

colorAttachment.loadOp = vk::AttachmentLoadOp::eClear;
colorAttachment.storeOp = vk::AttachmentStoreOp::eStore;
colorAttachment.stencilLoadOp = vk::AttachmentLoadOp::eDontCare;
colorAttachment.stencilStoreOp = vk::AttachmentStoreOp::eDontCare;

深度/模板附件的配置与此类似，但使用 stencilLoadOp/stencilStoreOp（模板缓冲未使用时设为 eDontCare）。

4. 图像布局

Vulkan 中的纹理和帧缓冲由 vk::Image 对象表示，这些对象具有特定的像素格式。 Vulkan 要求图像按操作类型切换布局以优化内存访问：

布局类型	适用场景
vk::ImageLayout::eUndefined	不关心图像原有内容（如清除前）。
vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal	作为颜色附件写入时使用。
vk::ImageLayout::ePresentSrcKHR	渲染完成后准备显示到交换链。
vk::ImageLayout::eTransferDstOptimal	作为数据拷贝目标时使用（如纹理上传）。

我们将在纹理章节中更深入地讨论这个主题，但现在重要的是要知道图像需要转换为特定的布局，这些布局适合它们接下来要参与的操作。

colorAttachment.initialLayout = vk::ImageLayout::eUndefined;
colorAttachment.finalLayout = vk::ImageLayout::ePresentSrcKHR;

• initialLayout 指定图像在渲染通道开始之前将具有的布局。
• finalLayout 指定渲染通道完成时自动转换到的布局。

对 initialLayout 使用 eUndefined 意味着我们不在乎图像之前的布局是什么。 此特殊值的不能保证图像的内容会被保留，但这没关系，因为我们无论如何都要清除它。 我们希望图像在使用交换链渲染后即可用于呈现，所以我们使用 ePresentSrcKHR 作为 finalLayout。

渲染通道组成

渲染通道由附件、子通道和子通道依赖组成。

1. 附件（Attachments）

• 定义帧缓冲中每个图像视图（如颜色、深度缓冲）的格式（VkFormat）、加载/存储操作（Load/Store Op）。

vk::AttachmentReference colorAttachmentRef;
colorAttachmentRef.attachment = 0;
colorAttachmentRef.layout = vk::ImageLayout::eColorAttachmentOptimal;

attachment 参数通过其在附件描述数组中的索引来指定要引用的附件。 我们的数组由单个 vk::AttachmentDescription 组成，因此其索引为 0。

layout 指定我们希望附件在此子通道期间具有的布局，当子通道启动时，Vulkan 自动将附件转换为此布局。 我们打算使用该附件充当颜色缓冲，并使用 eColorAttachmentOptimal 布局提供最佳性能。

注意这里引用的实际是“附件描述”，而此附件本身（vk::Image）实际绑定在帧缓冲上。

2. 子通道（Subpasses）

子通道的作用：

• 将渲染过程划分为多个阶段，每个子通道引用一组附件（作为输入/输出/保留）。

• 避免中间结果写回内存，直接复用数据（如深度缓冲在多个子通道间共享）。

• 示例（延迟渲染）：

  • Subpass 1：写入 G-Buffer（颜色、法线、深度）。
  • Subpass 2：读取 G-Buffer，计算光照。

对于第一个三角形，我们只使用单个子通道，子通道使用 vk::SubpassDescription 结构描述

vk::SubpassDescription subpass;
subpass.pipelineBindPoint = vk::PipelineBindPoint::eGraphics;

Vulkan 未来也可能支持计算子通道，因此我们必须明确说明这是一个图形子通道。

接下来，我们指定对颜色附件的引用

subpass.setColorAttachments( colorAttachmentRef );

片段着色器中使用 layout(location = 0) out vec4 outColor 指令引用的就是此数组！

以下其他类型的附件可以由子通道引用

• pInputAttachments：从着色器读取的附件
• pResolveAttachments：用于多重采样颜色附件的附件
• pDepthStencilAttachment：用于深度和模板数据的附件
• pPreserveAttachments：此子通道未使用的附件，但必须保留其数据的附件

3. 子通道依赖（Subpass Dependencies）

子通道依赖定义子通道之间的执行顺序和内存访问规则，解决资源竞争问题。 由于我们只有单个子通道，暂时无需处理依赖问题。

渲染通道

现在已经描述了附件和引用它的基本子通道，我们可以创建渲染通道本身。 创建一个新的类成员变量来保存 vk::raii::RenderPass 对象，就在 m_pipelineLayout 变量的上方

vk::raii::RenderPass m_renderPass{ nullptr };
vk::raii::PipelineLayout m_pipelineLayout{ nullptr };

然后可以通过使用附件和子通道数组填充 vk::RenderPassCreateInfo 结构来创建渲染通道对象。 vk::AttachmentReference 对象使用此数组的索引引用附件。

vk::RenderPassCreateInfo renderPassInfo;
renderPassInfo.setAttachments( colorAttachment );
renderPassInfo.setSubpasses( subpass );

m_renderPass = m_device.createRenderPass(renderPassInfo);

测试

现在可以运行程序，请保证没有错误发生。

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这里进行了很多工作，但在下一章中，我们会将所有内容都结合在一起，最终创建图形管线对象！

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C++代码

C++代码差异

根项目CMake代码

shader-CMake代码

shader-vert代码

shader-frag代码