디스크립터 풀 및 세트

소개

이전 장에서 설명한 디스크립터 세트 레이아웃은 바인딩될 수 있는 디스크립터의 유형을 설명합니다. 이번 장에서는 VkBuffer 리소스를 유니폼 버퍼 디스크립터에 바인딩하기 위해 디스크립터 세트를 생성할 것입니다.

디스크립터 풀

디스크립터 세트는 직접 생성할 수 없으며, 명령 버퍼처럼 풀에서 할당해야 합니다. 디스크립터 세트에 해당하는 것은 디스크립터 풀이라고 불립니다. createDescriptorPool이라는 새 함수를 작성하여 설정합니다.

void initVulkan() {
    ...
    createUniformBuffers();
    createDescriptorPool();
    ...
}

...

void createDescriptorPool() {

}

디스크립터 세트에 포함될 디스크립터 유형과 수를 VkDescriptorPoolSize 구조체를 사용하여 설명해야 합니다.

VkDescriptorPoolSize poolSize{};
poolSize.type = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER;
poolSize.descriptorCount = static_cast<uint32_t>(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);

우리는 매 프레임마다 이 디스크립터 중 하나를 할당할 것입니다. 이 풀 크기 구조는 메인 VkDescriptorPoolCreateInfo에서 참조됩니다:

VkDescriptorPoolCreateInfo poolInfo{};
poolInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_POOL_CREATE_INFO;
poolInfo.poolSizeCount = 1;
poolInfo.pPoolSizes = &poolSize;

개별 디스크립터뿐만 아니라 할당 가능한 최대 디스크립터 세트 수도 지정해야 합니다:

poolInfo.maxSets = static_cast<uint32_t>(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);

구조에는 명령 풀과 유사한 선택적 플래그가 있으며, 개별 디스크립터 세트를 자유롭게 해제할 수 있는지 여부를 결정합니다: VK_DESCRIPTOR_POOL_CREATE_FREE_DESCRIPTOR_SET_BIT. 디스크립터 세트를 생성한 후에는 수정하지 않을 예정이므로 이 플래그가 필요하지 않습니다. flags를 기본값 0으로 둘 수 있습니다.

VkDescriptorPool descriptorPool;

...

if (vkCreateDescriptorPool(device, &poolInfo, nullptr, &descriptorPool) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to create descriptor pool!");
}

디스크립터 풀 핸들을 저장할 새 클래스 멤버를 추가하고 vkCreateDescriptorPool을 호출하여 생성합니다.

디스크립터 세트

이제 디스크립터 세트 자체를 할당할 수 있습니다. 이를 위해 createDescriptorSets 함수를 추가합니다:

void initVulkan() {
    ...
    createDescriptorPool();
    createDescriptorSets();
    ...
}

...

void createDescriptorSets() {

}

디스크립터 세트 할당은 VkDescriptorSetAllocateInfo 구조체로 설명됩니다. 할당할 디스크립터 풀, 할당할 디스크립터 세트 수 및 기준이 될 디스크립터 세트 레이아웃을 지정해야 합니다:

std::vector<VkDescriptorSetLayout> layouts(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT, descriptorSetLayout);
VkDescriptorSetAllocateInfo allocInfo{};
allocInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_DESCRIPTOR_SET_ALLOCATE_INFO;
allocInfo.descriptorPool = descriptorPool;
allocInfo.descriptorSetCount = static_cast<uint32_t>(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
allocInfo.pSetLayouts = layouts.data();

우리의 경우, 동일한 레이아웃을 가진 각 프레임을 위해 하나의 디스크립터 세트를 생성할 것입니다. 불행히도 같은 레이아웃의 복사본이 필요하기 때문에 다음 함수는 세트 수에 맞는 배열을 기대합니다.

디스크립터 세트 핸들을 저장할 클래스 멤버를 추가하고 vkAllocateDescriptorSets를 사용하여 할당합니다:

VkDescriptorPool descriptorPool;
std::vector<VkDescriptorSet> descriptorSets;

...

descriptorSets.resize(MAX_FRAMES_IN_FLIGHT);
if (vkAllocateDescriptorSets(device, &allocInfo, descriptorSets.data()) != VK_SUCCESS) {
    throw std::runtime_error("failed to allocate descriptor sets!");
}

디스크립터 세트를 명시적으로 정리할 필요는 없습니다. 왜냐하면 디스크립터 풀이 파괴될 때 자동으로 해제되기 때문입니다. vkAllocateDescriptorSets 호출은 유니폼 버퍼 디스크립터를 가진 디스크립터 세트를 할당할 것입니다.

void cleanup() {
    ...
    vkDestroyDescriptorPool(device, descriptorPool, nullptr);

    vkDestroyDescriptorSetLayout(device, descriptor

SetLayout, nullptr);
    ...
}

이제 디스크립터 세트가 할당되었지만, 디스크립터 내부는 아직 구성되지 않았습니다. 모든 디스크립터를 채우기 위해 루프를 추가합니다:

for (size_t i = 0; i < MAX_FRAMES_IN_FLIGHT; i++) {

}

버퍼를 참조하는 디스크립터인 우리의 유니폼 버퍼 디스크립터는 VkDescriptorBufferInfo 구조체로 구성됩니다. 이 구조체는 디스크립터에 대한 데이터를 포함하는 버퍼와 그 영역을 명시합니다.

for (size_t i = 0; i < MAX_FRAMES_IN_FLIGHT; i++) {
    VkDescriptorBufferInfo bufferInfo{};
    bufferInfo.buffer = uniformBuffers[i];
    bufferInfo.offset = 0;
    bufferInfo.range = sizeof(UniformBufferObject);
}

전체 버퍼를 덮어쓰는 경우, range로 VK_WHOLE_SIZE 값을 사용할 수도 있습니다. 디스크립터의 구성은 VkWriteDescriptorSet 구조체의 배열을 매개변수로 취하는 vkUpdateDescriptorSets 함수를 사용하여 업데이트됩니다.

VkWriteDescriptorSet descriptorWrite{};
descriptorWrite.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_WRITE_DESCRIPTOR_SET;
descriptorWrite.dstSet = descriptorSets[i];
descriptorWrite.dstBinding = 0;
descriptorWrite.dstArrayElement = 0;

첫 두 필드는 업데이트할 디스크립터 세트와 바인딩을 명시합니다. 우리는 유니폼 버퍼 바인딩 인덱스 0을 사용했습니다. 디스크립터는 배열일 수 있으므로, 업데이트할 배열의 첫 인덱스도 지정해야 합니다. 우리는 배열을 사용하지 않으므로 인덱스는 간단히 0입니다.

descriptorWrite.descriptorType = VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER;
descriptorWrite.descriptorCount = 1;

다시 한번 디스크립터 유형을 명시해야 합니다. dstArrayElement에서 시작하는 배열에서 여러 디스크립터를 한 번에 업데이트할 수 있습니다. descriptorCount 필드는 업데이트하려는 배열 요소 수를 지정합니다.

descriptorWrite.pBufferInfo = &bufferInfo;
descriptorWrite.pImageInfo = nullptr; // Optional
descriptorWrite.pTexelBufferView = nullptr; // Optional

마지막 필드는 실제로 디스크립터를 구성하는 descriptorCount 구조체의 배열을 참조합니다. 디스크립터의 유형에 따라 세 가지 중 하나를 사용해야 합니다. pBufferInfo 필드는 버퍼 데이터를 참조하는 디스크립터에 사용됩니다, pImageInfo는 이미지 데이터를 참조하는 디스크립터에 사용되며, pTexelBufferView는 버퍼 뷰를 참조하는 디스크립터에 사용됩니다. 우리의 디스크립터는 버퍼를 기반으로 하므로 pBufferInfo를 사용합니다.

vkUpdateDescriptorSets(device, 1, &descriptorWrite, 0, nullptr);

업데이트는 vkUpdateDescriptorSets를 사용하여 적용됩니다. 이 함수는 매개변수로 VkWriteDescriptorSet과 VkCopyDescriptorSet의 두 가지 종류의 배열을 받습니다. 후자는 이름에서 알 수 있듯이 디스크립터를 서로 복사하는 데 사용됩니다.

디스크립터 세트 사용

이제 recordCommandBuffer 함수를 업데이트하여 각 프레임에 대해 적절한 디스크립터 세트를 셰이더의 디스크립터에 vkCmdBindDescriptorSets를 사용하여 실제로 바인딩해야 합니다. 이는 vkCmdDrawIndexed 호출 전에 수행되어야 합니다:

vkCmdBindDescriptorSets(commandBuffer, VK_PIPELINE_BIND_POINT_GRAPHICS, pipelineLayout, 0, 1, &descriptorSets[currentFrame], 0, nullptr);
vkCmdDrawIndexed(commandBuffer, static_cast<uint32_t>(indices.size()), 1, 0, 0, 0);

버텍스 및 인덱스 버퍼와 달리, 디스크립터 세트는 그래픽 파이프라인에 고유하지 않습니다. 따라서 그래픽 또는 컴퓨트 파이프라인에 디스크립터 세트를 바인딩할 것인지 명시해야 합니다. 다음 매개변수는 디스크립터가 기반으로 하는 레이아웃입니다. 다음 세 매개변수는 첫 번째 디스크립터 세트의 인덱스, 바인딩할 세트 수 및 바인딩할 세트 배열을 지정합니다. 마지막 두 매개변수는 동적 디스크립터를 위한 오프셋 배열을 지정합니다. 이에 대해서는 향후 장에서 살펴볼 것입니다.

프로그램을 실행하면 아쉽게도 아무 것도 보이지 않는 것을 알 수 있습니다. 문제는 프로젝션 매트릭스에서 Y-플립을 수행했기 때문에 버텍스들이 시계 반대 방향으로 그려지고 있으며, 이로 인해 배면 제거가 발생하여 기하학적 도형이 그려지지 않기 때문입니다. createGraphicsPipeline 함수로 가서 VkPipelineRasterizationStateCreateInfo에서 frontFace를 수정하여 이를 바로잡으세요:

rasterizer.cullMode = VK_CULL_MODE_BACK_BIT;
rasterizer.frontFace = VK_FRONT_FACE_COUNTER_CLOCKWISE;

프로그램을 다시 실행하면 다음과 같은 결과를 볼 수 있습니다:

사각형이 정사각형으로 변했는데, 이는 프로젝션 매트릭스가 이제 종횡비를 고려하기 때문입니다. updateUniformBuffer는 화면 크기 조정을 처리하므로, recreateSwapChain에서 디스크립터 세트를 다시 만들 필요가 없습니다.

정렬 요구 사항

지금까지 C++ 구조체의 데이터가 셰이더의 유니폼 정의와 어떻게 일치해야 하는지에 대해 자세히 설명하지 않았습니다. 당연히 둘 다 동일한 유형을 사용하면 될 것 같습니다:

struct UniformBufferObject {
    glm::mat4 model;
    glm::mat4 view;
    glm::mat4 proj;
};

layout(binding = 0) uniform UniformBufferObject {
    mat4 model;
    mat4 view;
    mat4 proj;
} ubo;

하지만 그게 전부는 아닙니다. 예를 들어, 구조체와 셰이더를 다음과 같이 수정해 보세요:

struct UniformBufferObject {
    glm::vec2 foo;
    glm::mat4 model;
    glm::mat4 view;
    glm::mat4 proj;
};

layout(binding = 0) uniform UniformBufferObject {
    vec2 foo;
    mat4 model;
    mat4 view;
    mat4 proj;
} ubo;

셰이더와 프로그램을 다시 컴파일하고 실행하면, 지금까지 작업했던 다채

로운 사각형이 사라진 것을 발견할 수 있습니다! 그 이유는 정렬 요구 사항을 고려하지 않았기 때문입니다.

Vulkan은 구조체의 데이터가 메모리에 특정 방식으로 정렬되어 있기를 요구합니다. 예를 들어:

스칼라는 N (= 32비트 float의 경우 4바이트)으로 정렬되어야 합니다.
vec2는 2N (= 8바이트)으로 정렬되어야 합니다.
vec3 또는 vec4는 4N (= 16바이트)으로 정렬되어야 합니다.
중첩 구조체는 멤버의 기본 정렬을 16의 배수로 올림해야 합니다.
mat4 행렬은 vec4와 같은 정렬을 가져야 합니다.

이 정렬 요구 사항은 명세에서 전체 목록을 찾을 수 있습니다.

원래 셰이더에 세 개의 mat4 필드만 있었기 때문에 정렬 요구 사항을 충족했습니다. 각 mat4는 4 x 4 x 4 = 64바이트 크기이므로, model의 오프셋은 0, view의 오프셋은 64, proj의 오프셋은 128입니다. 모두 16의 배수이므로 잘 작동했습니다.

새 구조체는 크기가 8바이트인 vec2로 시작하므로 모든 오프셋을 변경합니다. 이제 model의 오프셋은 8, view의 오프셋은 72, proj의 오프셋은 136이며, 이는 16의 배수가 아닙니다. 이 문제를 해결하려면 C++11에서 도입된 alignas 지정자를 사용할 수 있습니다:

struct UniformBufferObject {
    glm::vec2 foo;
    alignas(16) glm::mat4 model;
    glm::mat4 view;
    glm::mat4 proj;
};

이제 프로그램을 다시 컴파일하고 실행하면 셰이더가 행렬 값을 다시 올바르게 받는 것을 확인할 수 있습니다.

다행히도 대부분의 경우 이러한 정렬 요구 사항을 고려하지 않아도 됩니다. GLM을 포함하기 전에 GLM_FORCE_DEFAULT_ALIGNED_GENTYPES를 정의함으로써 GLM을 사용하여 vec2와 mat4의 정렬 요구 사항을 이미 지정한 버전을 사용할 수 있습니다:

#define GLM_FORCE_RADIANS
#define GLM_FORCE_DEFAULT_ALIGNED_GENTYPES
#include <glm/glm.hpp>

이 정의를 추가하면 alignas 지정자를 제거할 수 있고 프로그램은 여전히 잘 작동해야 합니다.

그러나 중첩 구조체를 사용하기 시작하면 이 방법이 실패할 수 있습니다. 다음과 같은 C++ 코드에서 정의된 것을 고려하십시오:

struct Foo {
    glm::vec2 v;
};

struct UniformBufferObject {
    Foo f1;
    Foo f2;
};

그리고 다음과 같은 셰이더 정의:

struct Foo {
    vec2 v;
};

layout(binding = 0) uniform UniformBufferObject {
    Foo f1;
    Foo f2;
} ubo;

이 경우 f2는 오프셋 8에 있어야 하지만 중첩 구조체이므로 오프셋 16에 있어야 합니다. 이 경우 정렬을 직접 지정해야 합니다:

struct UniformBufferObject {
    Foo f1;
    alignas(16) Foo f2;
};

이런 식의 문제를 피하기 위해 항상 정렬을 명시하는 것이 좋습니다. 그렇게 하면 정렬 오류의 이상한 증상에 의해 놀라지 않게 됩니다.

struct UniformBufferObject {
    alignas(16) glm::mat4 model;
    alignas(16) glm::mat4 view;
    alignas(16) glm::mat4 proj;
};

foo 필드를 제거한 후 셰이더를 다시 컴파일하는 것을 잊지 마세요.

다중 디스크립터 세트

일부 구조와 함수 호출에서 암시된 것처럼, 실제로 동시에 여러 디스크립터 세트를 바인딩할 수 있습니다. 파이프라인 레이아웃을 생성할 때 각 디스크립터 세트에 대한 디스크립터 세트 레이아웃을 지정해야 합니다. 셰이더는 다음과 같이 특정 디스크립터 세트를 참조할 수 있습니다:

layout(set = 0, binding = 0) uniform UniformBufferObject { ... }

이 기능을 사용하여 객체별로 다르고 공유되는 디스크립터를 별도의 디스크립터 세트에 넣을 수 있습니다. 이 경우 대부분의 디스크립터를 그리기 호출 간에 다시 바인딩할 필요가 없으므로 효율적일 수 있습니다.

C++ 코드 / 버텍스 셰이더 / 프래그먼트 셰이더

Vulkan Tutorial

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