Vulkan 学习笔记15—Mipmap 与多重采样

一、Mipmap 生成总结

一、Mipmap 基础概念

• 定义：Mipmap 是图像预先计算的缩小版本，每个层级宽高为前一层的一半，用作细节级别（LOD）。
• 作用：
  • 远离相机的对象使用较小层级采样，提升渲染速度。
  • 避免莫尔条纹等伪影。
• 存储方式：在 Vulkan 中存储于 VkImage 的不同 mip 级别，级别 0 为原始图像，后续层级构成 mip 链。

二、图像创建与 mip 级别计算

1. 计算 mip 级别数：

   mipLevels = static_cast<uint32_t>(std::floor(std::log2(std::max(texWidth, texHeight)))) + 1;
   

   • 原理：通过最大维度的对数计算可被 2 整除的次数，加 1 包含原始图像。

2. 修改关键函数：

   • createImage：添加 mipLevels 参数，设置 imageInfo.mipLevels。
   • createImageView：设置 viewInfo.subresourceRange.levelCount 为 mipLevels。
   • transitionImageLayout：设置 barrier.subresourceRange.levelCount 为 mipLevels。

3. 函数调用更新示例：

   // 纹理图像创建（含 mipLevels）
   createImage(texWidth, texHeight, mipLevels, VK_FORMAT_R8G8B8A8_SRGB, ...);
   // 纹理图像视图创建
   textureImageView = createImageView(textureImage, ..., mipLevels);
   

三、Mipmap 生成流程

1. 准备工作：

   • 为纹理图像添加 VK_IMAGE_USAGE_TRANSFER_SRC_BIT 使用标志。
   • 确保图像布局为 VK_IMAGE_LAYOUT_TRANSFER_DST_OPTIMAL。

2. 核心函数 generateMipmaps：

   • 循环处理每个 mip 级别（从 1 开始）：
     1. 转换源层级布局：将 i-1 层级转为 VK_IMAGE_LAYOUT_TRANSFER_SRC_OPTIMAL。
     2. 设置 blit 操作：

        VkImageBlit blit{};
        blit.srcSubresource.mipLevel = i - 1;  // 源层级
        blit.dstSubresource.mipLevel = i;      // 目标层级
        blit.dstOffsets[1] = {mipWidth/2, mipHeight/2, 1};  // 目标尺寸减半
        

     3. 执行 blit 命令：使用 vkCmdBlitImage 复制并缩放数据，过滤方式为 VK_FILTER_LINEAR。
     4. 转换源层级为渲染可用：转为 VK_IMAGE_LAYOUT_SHADER_READ_ONLY_OPTIMAL。
   • 处理最后一个层级：单独转换为渲染布局。

3. 关键代码逻辑：

   for (uint32_t i = 1; i < mipLevels; i++) {// 布局转换与 blit 操作...if (mipWidth > 1) mipWidth /= 2;if (mipHeight > 1) mipHeight /= 2;
   }
   

四、线性滤波支持检查

1. 硬件支持验证：

   VkFormatProperties formatProperties;
   vkGetPhysicalDeviceFormatProperties(physicalDevice, imageFormat, &formatProperties);
   if (!(formatProperties.optimalTilingFeatures & VK_FORMAT_FEATURE_SAMPLED_IMAGE_FILTER_LINEAR_BIT)) {throw std::runtime_error("不支持线性滤波！");
   }
   

2. 备选方案：

   • 搜索支持线性滤波的格式。
   • 使用 stb_image_resize 等库在软件中生成 mipmap。

五、采样器配置

1. 关键参数：

   • mipmapMode：
     • VK_SAMPLER_MIPMAP_MODE_NEAREST：直接选择层级采样。
     • VK_SAMPLER_MIPMAP_MODE_LINEAR：混合相邻层级采样。
   • minLod/maxLod：控制采样的 lod 范围，VK_LOD_CLAMP_NONE 表示使用所有层级。
   • mipLodBias：偏移 lod 值，调整采样层级。

2. 典型配置示例：

   VkSamplerCreateInfo samplerInfo{};
   samplerInfo.mipmapMode = VK_SAMPLER_MIPMAP_MODE_LINEAR;
   samplerInfo.minLod = 0.0f;
   samplerInfo.maxLod = VK_LOD_CLAMP_NONE;
   samplerInfo.mipLodBias = 0.0f;
   

六、效果与实践建议

• 视觉效果：消除莫尔条纹，文字边缘更平滑。
• 性能优化：预先生成 mipmap 可避免运行时计算，通常存储于纹理文件中。
• 调试建议：修改 minLod 可强制使用特定层级，观察不同 LOD 效果。
  • 设置samplerInfo.minLod = static_cast<float>(texture.mipLevels / 2);效果：
    
  • 设置samplerInfo.minLod = static_cast<float>(texture.mipLevels / 4);效果：
    
  • 默认samplerInfo.minLod = 0.0f;效果：
    

多重采样抗锯齿(MSAA)总结

一、MSAA基础概念

• 作用：解决几何图形边缘锯齿状走样问题，通过每个像素使用多个采样点计算最终颜色。
• 原理：普通渲染使用单个采样点，MSAA使用多个采样点（如2/4/8倍），采样数越多效果越好但性能开销越大。
• 核心流程：在屏幕外多重采样缓冲中渲染，再解析到常规帧缓冲。

二、获取硬件支持的采样计数

1. 实现函数：

   VkSampleCountFlagBits getMaxUsableSampleCount() {VkPhysicalDeviceProperties props;vkGetPhysicalDeviceProperties(physicalDevice, &props);// 取颜色和深度采样计数的交集VkSampleCountFlags counts = props.limits.framebufferColorSampleCounts & props.limits.framebufferDepthSampleCounts;// 按优先级返回最高支持的采样数if (counts & VK_SAMPLE_COUNT_64_BIT) return VK_SAMPLE_COUNT_64_BIT;// 依次检查32/16/8/4/2/1位采样return VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT;
   }
   

2. 应用场景：在物理设备选择时调用，设置类成员msaaSamples。

三、渲染目标设置

1. 创建多重采样颜色缓冲：

   void createColorResources() {VkFormat format = swapChainImageFormat;// 关键参数：采样数msaaSamples，禁用mipmap（1级）createImage(swapChainExtent.width, swapChainExtent.height, 1, msaaSamples, format, VK_IMAGE_TILING_OPTIMAL, VK_IMAGE_USAGE_TRANSIENT_ATTACHMENT_BIT | VK_IMAGE_USAGE_COLOR_ATTACHMENT_BIT,VK_MEMORY_PROPERTY_DEVICE_LOCAL_BIT, colorImage, colorImageMemory);colorImageView = createImageView(colorImage, format, VK_IMAGE_ASPECT_COLOR_BIT, 1);
   }
   

2. 深度缓冲同步修改：

   void createDepthResources() {// 同步更新深度缓冲的采样数createImage(swapChainExtent.width, swapChainExtent.height, 1, msaaSamples, ...);
   }
   

3. 资源清理与重建：
   • 在cleanupSwapChain中释放colorImage相关资源。
   • 在recreateSwapChain中重新创建颜色和深度资源。

四、渲染通道与附件配置

1. 修改颜色/深度附件：

   colorAttachment.samples = msaaSamples;
   colorAttachment.finalLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL; // 不再直接呈现
   depthAttachment.samples = msaaSamples;
   

2. 添加解析附件：

   VkAttachmentDescription colorAttachmentResolve{};
   colorAttachmentResolve.format = swapChainImageFormat;
   colorAttachmentResolve.samples = VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT; // 解析到单采样常规图像
   colorAttachmentResolve.finalLayout = VK_IMAGE_LAYOUT_PRESENT_SRC_KHR; // 用于呈现
   

3. 子通道与依赖关系：

   VkAttachmentReference colorAttachmentResolveRef{2, VK_IMAGE_LAYOUT_COLOR_ATTACHMENT_OPTIMAL};
   subpass.pResolveAttachments = &colorAttachmentResolveRef; // 启用解析操作
   // 更新依赖关系以确保写入完成
   dependency.srcAccessMask = VK_ACCESS_COLOR_ATTACHMENT_WRITE_BIT | VK_ACCESS_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT_WRITE_BIT;
   

4. 帧缓冲与管线配置：

   // 帧缓冲附件包含多重采样颜色、深度和解析目标
   std::array<VkImageView, 3> attachments = {colorImageView, depthImageView, swapChainImageViews[i]};
   // 管线启用多重采样
   multisampling.rasterizationSamples = msaaSamples;
   

五、质量优化：采样着色(Sample Shading)

1. 作用：解决纹理内部着色混叠，补充MSAA仅平滑边缘的不足。
2. 实现步骤：
   • 设备功能启用：

     deviceFeatures.sampleRateShading = VK_TRUE;
     

   • 管线配置：

     multisampling.sampleShadingEnable = VK_TRUE;
     multisampling.minSampleShading = 0.2f; // 采样着色阈值，越接近1越平滑
     

六、关键注意事项

• 性能权衡：高采样数（如64x）对性能影响显著，建议根据设备能力动态调整。
• 解析必要性：多重采样图像无法直接呈现，必须通过解析附件转换为单采样图像。
• 兼容性检查：部分旧设备可能不支持高采样数，需做好降级处理。
• 视觉效果：MSAA主要改善几何边缘平滑度，纹理混叠需结合采样着色或纹理过滤处理。

效果

• MSAA = VK_SAMPLE_COUNT_1_BIT
  

• MSAA = getMaxUsableSampleCount()
  
  当前代码分支：13_mipmap_msaa