跨平台渲染框架尝试 - GPU Buffer的管理（1）

buffer资源

下面来谈谈buffer的管理。buffer资源从广义上就是C语言的数组。如下图所示。

图 buffer的广义模型

在渲染管线中，无论是opengl还是dx或者其他的渲染api，都会提供下列的buffer类型。vertex buffer，index buffer，constant buffer，structured buffer，raw buffer与indirect arguments buffer.  这些buffer的不同就在于两个方面。

首先就是内存结构。有流式的buffer，如vertex buffer和index buffer，它们的行为更像是数据流，数据的读取时顺序的，因此内存的分布式紧密和连续的。而structured buffer，constatn buffer等是结构式的buffer，为了满足GPU中高效的随机访问buffer数据的需求，这些buffer通常会按照一定的规则进行内存对齐。

其次，在上面已经提到，就是访问方式的不同。正式因为访问方式的不同，才有了内存结构的不同。流式数据往往数据量很大（数万个定点，数十万个索引的高模），只提供顺序访问，并且访问的工作已经由shader中不同的stage辅助处理了。而结构式的buffer往往shader程序中的数据量没有流式数据那么绝大，但更多的是高效与方便的随机访问buffer数据，他们在shader程序中都有类似operator[](constant buffer)，还有类似栈的行为(append & consume buffer).

对buffer资源的管理基本遵循两个关键点。1. 一个元素的大小与元素的个数 2. 如何方便应用程序在cpu端初始化和访问buffer的数据。第一决定整个buffer的大小，第二个是buffer在应用程序段操作数据的接口。

后面的篇幅会依次对这些buffer资源进行详细讨论，buffer的管理较texture而言较为复杂，我们先从vertex buffer和index buffer开始。前面说过，vertex buffer和index buffer是流式数据。一般情况下，它们的数据保存在模型文件中，程序载入这些数据，创建vb和ib作为应用程序的输入。vertex buffer除了作为输入之外，还可以作为geometry shader的输出。

vertex buffer

图 vertex buffer

我们借用d3d api中input layout的概念来管理vb中单位元素的大小。vb的一个单位元素，都是由若干个基本的一维向量类型的属性(attribute)依次排开，而组成。

Input layout由
1. 描述每个属性的类型；

enum class data_format
{
	float_,
	float2,
        // ...........
	float4x4,
	int_,
        // .......
	uint4,
	structured,
};

　　

2. 描述每个属性相对于元素内存起始位置的偏移量

3. 描述每个属性的语义（在d3d中有用）

enum class data_semantic
{
	position,
	normal,
	binormal,
	tangent,
	texcoord0,
	texcoord1,
	// .......
	texcoord7,
	color0,
	color1,
};

　　

这样，input layout就能够完整的计算出vb单位元素的大小，并辅助在应用程序段对vb初始化和访问数据的工作。

在leaves::pipeline::buffer的实现宏， 除了buffer<vertex_buffer>基类提供的ptr_as<T>()模板成员函数方便直接的内存拷贝之外，我们管理的vb还提供类似stl访问容器的迭代器，分语义来访问vb中的元素。

index buffer

图 index buffer

index buffer的管理较vb稍简单一些。单位元素就是一个整形。因此它的迭代器也轻量一些，直接使用指针。但是index buffer还需要管理一个primitive type。它描述的是定点索引之间的拓扑关系。如图。

图 基本的拓扑结构

 

图 line_list_adj 和 line_strip_adj

 

图 triangle_list_adj

 

图 triangle_strip_adj

不同拓扑关系会影响index buffer元素个数，可以根据上面几张图的关系来实现一个由primitive数量计算indices数量的函数。

下一篇将详细介绍constant buffer及剩下buffer的管理。

详细的实现代码托管在 https://github.com/IndignantAngel/modern-graphics-framework 中，欢迎大神前来指教。