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Update source\Literature\NVIDIAVulkanRayTracingTutorial\extensions\In…
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…tersectionShader.rst dco
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@FuXiii
FuXiii committed Oct 8, 2023
1 parent 7c8bc2e commit 2ca8f6a
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Showing 2 changed files with 257 additions and 1 deletion.
4 changes: 4 additions & 0 deletions source/Changelog.md
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此更新日志为纵览更新，对于具体文章的更新位于每个文章的开头的 `更新记录` 中。
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## 2023/10/8

>* 更新`相交着色器`文档
## 2023/10/7

>* 增加`相交着色器`文档
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254 changes: 253 additions & 1 deletion source/Literature/NVIDIAVulkanRayTracingTutorial/extensions/IntersectionShader.rst
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Expand Up @@ -9,6 +9,13 @@
* 2023/10/7 增加 ``教程`` 章节
* 2023/10/7 增加 ``上层实现`` 章节
* 2023/10/7 增加 ``创建所有隐式对象`` 章节
* 2023/10/8 更新 ``创建所有隐式对象`` 章节
* 2023/10/8 增加 ``布置场景`` 章节
* 2023/10/8 增加 ``加速结构`` 章节
* 2023/10/8 增加 ``底层加速结构`` 章节
* 2023/10/8 增加 ``顶层加速结构`` 章节
* 2023/10/8 增加 ``描述符`` 章节
* 2023/10/8 增加 ``相交着色器`` 章节

`文献源`_

Expand All @@ -32,7 +39,7 @@

从上层角度来看，我们将：

* 在底层加速结构中增加 :math:`2,000,000` 个轴对齐包围盒
* 在底层加速结构中增加 :math:`2,000,000` 个轴对齐包围盒（ ``axis aligned bounding box`` 简写为 ``AABB`` ）
* 增加两个材质
* 每一个相交物体将会是球体或盒体两者交替，并且使用两个材质其中的一个

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void createSpheres();
auto sphereToVkGeometryKHR();

这下来将会在随机的位置上创建随机半径的 :math:`2,000,000` 个球体。并从球体定义中导出轴对齐包围盒。两种材料将会交替分配给每个对象。所有的构建完的数据都会保存进 ``Vulkan`` 的缓存中并在相交着色器和最近命中着色器中使用。

.. code:: c++

//--------------------------------------------------------------------------------------------------
// 创建所有的球体
//
void HelloVulkan::createSpheres(uint32_t nbSpheres)
{
std::random_device rd{};
std::mt19937 gen{rd()};
std::normal_distribution<float> xzd{0.f, 5.f};
std::normal_distribution<float> yd{6.f, 3.f};
std::uniform_real_distribution<float> radd{.05f, .2f};

// 所有球体
m_spheres.resize(nbSpheres);
for(uint32_t i = 0; i < nbSpheres; i++)
{
Sphere s;
s.center = nvmath::vec3f(xzd(gen), yd(gen), xzd(gen));
s.radius = radd(gen);
m_spheres[i] = std::move(s);
}

// 每一个球体的轴对齐包围盒
std::vector<Aabb> aabbs;
aabbs.reserve(nbSpheres);
for(const auto& s : m_spheres)
{
Aabb aabb;
aabb.minimum = s.center - nvmath::vec3f(s.radius);
aabb.maximum = s.center + nvmath::vec3f(s.radius);
aabbs.emplace_back(aabb);
}

// 创建两个材质
MaterialObj mat;
mat.diffuse = nvmath::vec3f(0, 1, 1);
std::vector<MaterialObj> materials;
std::vector<int> matIdx(nbSpheres);
materials.emplace_back(mat);
mat.diffuse = nvmath::vec3f(1, 1, 0);
materials.emplace_back(mat);

// 为每一个球体分配一个材质
for(size_t i = 0; i < m_spheres.size(); i++)
{
matIdx[i] = i % 2;
}

// 创建所有的缓存
using vkBU = VkBufferUsageFlagBits;
nvvk::CommandPool genCmdBuf(m_device, m_graphicsQueueIndex);
auto cmdBuf = genCmdBuf.createCommandBuffer();
m_spheresBuffer = m_alloc.createBuffer(cmdBuf, m_spheres, VK_BUFFER_USAGE_STORAGE_BUFFER_BIT);
m_spheresAabbBuffer = m_alloc.createBuffer(cmdBuf, aabbs,
VK_BUFFER_USAGE_SHADER_DEVICE_ADDRESS_BIT
| VK_BUFFER_USAGE_ACCELERATION_STRUCTURE_BUILD_INPUT_READ_ONLY_BIT_KHR);
m_spheresMatIndexBuffer =
m_alloc.createBuffer(cmdBuf, matIdx, VK_BUFFER_USAGE_STORAGE_BUFFER_BIT | VK_BUFFER_USAGE_SHADER_DEVICE_ADDRESS_BIT);
m_spheresMatColorBuffer =
m_alloc.createBuffer(cmdBuf, materials, VK_BUFFER_USAGE_STORAGE_BUFFER_BIT | VK_BUFFER_USAGE_SHADER_DEVICE_ADDRESS_BIT);
genCmdBuf.submitAndWait(cmdBuf);

// 调试信息
m_debug.setObjectName(m_spheresBuffer.buffer, "spheres");
m_debug.setObjectName(m_spheresAabbBuffer.buffer, "spheresAabb");
m_debug.setObjectName(m_spheresMatColorBuffer.buffer, "spheresMat");
m_debug.setObjectName(m_spheresMatIndexBuffer.buffer, "spheresMatIdx");

// 增加一个额外的实体，用于着色器中访问材质数据
ObjDesc objDesc{};
objDesc.materialAddress = nvvk::getBufferDeviceAddress(m_device, m_spheresMatColorBuffer.buffer);
objDesc.materialIndexAddress = nvvk::getBufferDeviceAddress(m_device, m_spheresMatIndexBuffer.buffer);
m_objDesc.emplace_back(objDesc);

ObjInstance instance{};
instance.objIndex = static_cast<uint32_t>(m_objModel.size());
m_instances.emplace_back(instance);
}

不要忘记在 ``destroyResources()`` 中回收资源。

.. code:: c++

m_alloc.destroy(m_spheresBuffer);
m_alloc.destroy(m_spheresAabbBuffer);
m_alloc.destroy(m_spheresMatColorBuffer);
m_alloc.destroy(m_spheresMatIndexBuffer);

我们需要一个新的底层加速结构用于承载支持创建的图元（几何体）。为了效率并且所有的图元都是静态的，所有的图元将会将入到同一个底层加速结构中。

与创建三角图元不同的是，现在使用轴对齐包围盒数据并且几何类型为 ``VK_GEOMETRY_TYPE_AABBS_KHR`` 。

.. code:: c++

//--------------------------------------------------------------------------------------------------
// 返回用于底层加速结构的光追几何数据，存有所有的球体
//
auto HelloVulkan::sphereToVkGeometryKHR()
{
VkDeviceAddress dataAddress = nvvk::getBufferDeviceAddress(m_device, m_spheresAabbBuffer.buffer);

VkAccelerationStructureGeometryAabbsDataKHR aabbs{VK_STRUCTURE_TYPE_ACCELERATION_STRUCTURE_GEOMETRY_AABBS_DATA_KHR};
aabbs.data.deviceAddress = dataAddress;
aabbs.stride = sizeof(Aabb);

// 设置加速结构的构建信息
VkAccelerationStructureGeometryKHR asGeom{VK_STRUCTURE_TYPE_ACCELERATION_STRUCTURE_GEOMETRY_KHR};
asGeom.geometryType = VK_GEOMETRY_TYPE_AABBS_KHR;
asGeom.flags = VK_GEOMETRY_OPAQUE_BIT_KHR;
asGeom.geometry.aabbs = aabbs;

VkAccelerationStructureBuildRangeInfoKHR offset{};
offset.firstVertex = 0;
offset.primitiveCount = (uint32_t)m_spheres.size(); // 轴对齐包围盒的数量
offset.primitiveOffset = 0;
offset.transformOffset = 0;

nvvk::RaytracingBuilderKHR::BlasInput input;
input.asGeometry.emplace_back(asGeom);
input.asBuildOffsetInfo.emplace_back(offset);
return input;
}

布置场景
####################

在 ``main.cpp`` 中，加载 ``OBJ`` 模型的地方，将其替换成如下：

.. code:: c++

helloVk.loadModel(nvh::findFile("media/scenes/plane.obj", defaultSearchPaths, true));
helloVk.createSpheres(2000000);

.. admonition:: 注意
:class: note

可以加载更多的 ``OBJ`` 模型，但由于我们现在构建顶层加速结构的流程，球体需要在最后加载。

该场景较大，最好先将相机移开。

.. code:: c++

CameraManip.setLookat(nvmath::vec3f(20, 20, 20), nvmath::vec3f(0, 1, 0), nvmath::vec3f(0, 1, 0));

加速结构
####################

底层加速结构
**********************************************

``createBottomLevelAS()`` 函数会为每一个 ``OBJ`` 模型创建一个底层加速结构，我们需要增加一个新的底层加速结构用于承载所有球体的轴对齐包围盒。

.. code:: c++

void HelloVulkan::createBottomLevelAS()
{
// 底层加速结构 - 每个模型存入一个几何体中
std::vector<nvvk::RaytracingBuilderKHR::BlasInput> allBlas;
allBlas.reserve(m_objModel.size());
for(const auto& obj : m_objModel)
{
auto blas = objectToVkGeometryKHR(obj);

// 每一个底层加速结构可以增加更多几何体，但是现在我们仅增加一个
allBlas.emplace_back(blas);
}

// 所有球体
{
auto blas = sphereToVkGeometryKHR();
allBlas.emplace_back(blas);
}

m_rtBuilder.buildBlas(allBlas, VK_BUILD_ACCELERATION_STRUCTURE_PREFER_FAST_TRACE_BIT_KHR);
}

顶层加速结构
**********************************************

与 ``createTopLevelAS()`` 类似，顶层加速结构将会引入承载所有球体的底层加速结构。我们将 ``instanceCustomId`` 和 ``blasId`` 设置为最后一个元素。这就是为什么存储球体的底层加速结构需要在所有模型加载完成之后加载。

``hitGroupId`` 将会设置成 ``1`` 而不是 ``0`` 。我们需要为这些隐式图元增加一个新的命中组，由于我们没有提供类似三角形这样的图元，所以我们需要计算类似法线这样的图元属性。

由于我们在创建隐式对象时增加了一个额外的实体，循环遍历时就会将最后一个元素忽略，循环将会少一次。因此循环将会类似于如下：

.. code:: c++

auto nbObj = static_cast<uint32_t>(m_instances.size()) - 1;
tlas.reserve(nbObj);
for(uint32_t i = 0; i < nbObj; i++)
{
const auto& inst = m_instances[i];
...
}

紧接着上面的循环之后，构建顶层加速结构之前，我们需要增加如下代码：

.. code:: c++

// 增加包含所有隐式对象的底层加速结构
{
VkAccelerationStructureInstanceKHR rayInst{};
rayInst.transform = nvvk::toTransformMatrixKHR(nvmath::mat4f(1)); // 实体的位置 （单位矩阵）
rayInst.instanceCustomIndex = nbObj; // nbObj == last object == implicit
rayInst.accelerationStructureReference = m_rtBuilder.getBlasDeviceAddress(static_cast<uint32_t>(m_objModel.size()));
rayInst.instanceShaderBindingTableRecordOffset = 1; // 所有的对象我们将使用相同的命中组
rayInst.flags = VK_GEOMETRY_INSTANCE_TRIANGLE_FACING_CULL_DISABLE_BIT_KHR;
rayInst.mask = 0xFF; // 只有当 rayMask & instance.mask != 0 成立时表示命中
tlas.emplace_back(rayInst);
}

``instanceCustomIndex`` 为 ``m_instances`` 的最后一个元素，并在着色器中访问隐式对象的材质信息。

描述符
####################

为了在着色器中能够访问到存储所有球体的缓存，需要对描述符进行一些改变。

在 ``Binding`` 中增加一个新的枚举。

.. code:: c++

eImplicit = 3, // 所有隐式对象

描述符需要增加一个对于隐式对象的绑定。

.. code:: c++

// 对应着所有球体 (binding = 3)
m_descSetLayoutBind.addBinding(eImplicit, VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER, 1,
VK_SHADER_STAGE_CLOSEST_HIT_BIT_KHR | VK_SHADER_STAGE_INTERSECTION_BIT_KHR);

``updateDescriptorSet()`` 函数中的更新缓存绑定同样需要进行修改。在更新绑定纹理之后，绑定包含所有球体的缓存。

.. code:: c++

VkDescriptorBufferInfo dbiSpheres{m_spheresBuffer.buffer, 0, VK_WHOLE_SIZE};
writes.emplace_back(m_descSetLayoutBind.makeWrite(m_descSet, eImplicit, &dbiSpheres));

相交着色器
####################

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