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Note
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全ての SPIR-V アセンブリは glslangValidator で生成されています。 |
この章では、データをマッピングするための Vulkan と SPIR-V のインターフェイスの方法について説明します。vkAllocateMemory から割り当てられた VkDeviceMemory オブジェクトを使って、Vulkan からのデータを SPIR-V シェーダが正しく利用できるように適切にマッピングするのは、アプリケーションの責任です。
コア Vulkan では、Vulkan アプリケーションのデータを SPIR-V とのインターフェイスにマッピングするための基本的な方法が5つあります。
コア Vulkan で Vulkan が制御する入力属性を持つシェーダステージは、頂点シェーダステージ（VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT）だけです。これは、VkPipeline の作成時にインターフェイスのスロットを宣言し、ドローコールの前に VkBuffer にマッピングするデータをバインドします。フラグメントシェーダステージなどは入力属性を持っていますが、その値はその前に実行されたステージから出力されます。
VkCreateGraphicsPipelines を呼び出す前に、 VkPipelineVertexInputStateCreateInfo 構造体に、シェーダへの VkVertexInputAttributeDescription マッピングのリストを入力する必要があります。
GLSL 頂点シェーダの例 (オンラインで試す):
#version 450
layout(location = 0) in vec3 inPosition;
void main() {
gl_Position = vec4(inPosition, 1.0);
}位置 0 には1つの入力属性しかありません。これは、生成された SPIR-V アセンブリでも確認できます。
OpDecorate %inPosition Location 0
%ptr = OpTypePointer Input %v3float
%inPosition = OpVariable %ptr Input
%20 = OpLoad %v3float %inPositionこの例では、VkVertexInputAttributeDescription に次のようなものが使えます。
VkVertexInputAttributeDescription input = {};
input.location = 0;
input.binding = 0;
input.format = VK_FORMAT_R32G32B32_SFLOAT; // vec3 へマップ
input.offset = 0;あとは、ドローコールの前に頂点バッファとオプションのインデックスバッファをバインドするだけです。
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Note
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vkBeginCommandBuffer();
// ...
vkCmdBindVertexBuffer();
vkCmdDraw();
// ...
vkCmdBindVertexBuffer();
vkCmdBindIndexBuffer();
vkCmdDrawIndexed();
// ...
vkEndCommandBuffer();|
Note
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詳細は、頂点入力データ処理の章を参照してください。 |
リソースディスクリプタは、ユニフォームバッファ、ストレージバッファ、サンプラなどのデータを Vulkan の任意のシェーダステージにマッピングするためのコアとなる方法です。概念的には、ディスプリプタはシェーダが使用できるメモリへのポインタと考えられます。
Vulkan にはさまざまなディスクリプタタイプがあり、それぞれが何を許可しているのか詳細に説明されています。
ディスクリプタは、シェーダにバインドされるディスクリプタセットにまとめられます。ディスクリプタセットの中に1つのディスクリプタしかない場合でも、シェーダにバインドする際には VkDescriptorSet 全体が使用されます。
この例では、以下の3つのディスクリプタセットがあります。
GLSL シェーダ (オンラインで試す):
// Note - このシェーダではセット0と2のみが使用される
layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler2D myTextureSampler;
layout(set = 0, binding = 2) uniform uniformBuffer0 {
float someData;
} ubo_0;
layout(set = 0, binding = 3) uniform uniformBuffer1 {
float moreData;
} ubo_1;
layout(set = 2, binding = 0) buffer storageBuffer {
float myResults;
} ssbo;対応する SPIR-V のアセンブリ:
OpDecorate %myTextureSampler DescriptorSet 0
OpDecorate %myTextureSampler Binding 0
OpMemberDecorate %uniformBuffer0 0 Offset 0
OpDecorate %uniformBuffer0 Block
OpDecorate %ubo_0 DescriptorSet 0
OpDecorate %ubo_0 Binding 2
OpMemberDecorate %uniformBuffer1 0 Offset 0
OpDecorate %uniformBuffer1 Block
OpDecorate %ubo_1 DescriptorSet 0
OpDecorate %ubo_1 Binding 3
OpMemberDecorate %storageBuffer 0 Offset 0
OpDecorate %storageBuffer BufferBlock
OpDecorate %ssbo DescriptorSet 2
OpDecorate %ssbo Binding 0ディスクリプタのバインドは、コマンドバッファの記録中に行われます。ディスクリプタは、ドロー/ディスパッチの呼び出し時にバインドされている必要があります。これを表現する疑似コードを以下に示します。
vkBeginCommandBuffer();
// ...
vkCmdBindPipeline(); // シェーダをバインド
// 2つのセットを結合する1つの方法
vkCmdBindDescriptorSets(firstSet = 0, pDescriptorSets = &descriptor_set_c);
vkCmdBindDescriptorSets(firstSet = 2, pDescriptorSets = &descriptor_set_b);
vkCmdDraw(); // またはディスパッチ
// ...
vkEndCommandBuffer();以下のような結果になります。
Vulkan Spec にはシェーダリソースとストレージクラスの対応表があり、SPIR-V で各ディスクリプタタイプをどのようにマッピングするかが記載されています。
ディスクリプタタイプのそれぞれに GLSL と SPIR-V をマッピングした場合の例を以下に示します。
GLSL については、GLSL Spec - 12.2.4. Vulkan Only: Samplers, Images, Textures, and Buffers から詳細をご覧いただけます。
VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_IMAGE
// VK_FORMAT_R32_UINT
layout(set = 0, binding = 0, r32ui) uniform uimage2D storageImage;
// GLSLでの読み書きの使用例
const uvec4 texel = imageLoad(storageImage, ivec2(0, 0));
imageStore(storageImage, ivec2(1, 1), texel);OpDecorate %storageImage DescriptorSet 0
OpDecorate %storageImage Binding 0
%r32ui = OpTypeImage %uint 2D 0 0 0 2 R32ui
%ptr = OpTypePointer UniformConstant %r32ui
%storageImage = OpVariable %ptr UniformConstantVK_DESCRIPTOR_TYPE_SAMPLER と VK_DESCRIPTOR_TYPE_SAMPLED_IMAGE
layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler samplerDescriptor;
layout(set = 0, binding = 1) uniform texture2D sampledImage;
// GLSL で texture() を使用する例
vec4 data = texture(sampler2D(sampledImage, samplerDescriptor), vec2(0.0, 0.0));OpDecorate %sampledImage DescriptorSet 0
OpDecorate %sampledImage Binding 1
OpDecorate %samplerDescriptor DescriptorSet 0
OpDecorate %samplerDescriptor Binding 0
%image = OpTypeImage %float 2D 0 0 0 1 Unknown
%imagePtr = OpTypePointer UniformConstant %image
%sampledImage = OpVariable %imagePtr UniformConstant
%sampler = OpTypeSampler
%samplerPtr = OpTypePointer UniformConstant %sampler
%samplerDescriptor = OpVariable %samplerPtr UniformConstant
%imageLoad = OpLoad %image %sampledImage
%samplerLoad = OpLoad %sampler %samplerDescriptor
%sampleImageType = OpTypeSampledImage %image
%1 = OpSampledImage %sampleImageType %imageLoad %samplerLoad
%textureSampled = OpimagesampleExplicitLod %v4float %1 %coordinate Lod %float_0VK_DESCRIPTOR_TYPE_COMBINED_IMAGE_SAMPLER
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Note
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実装によっては、ディスクリプタセットに一緒に保存されているサンプラとサンプルイメージの組み合わせを使用して、イメージからサンプリングすると効率的な場合があります。 |
layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler2D combinedimagesampler;
// GLSL で texture() を使用する例
vec4 data = texture(combinedimagesampler, vec2(0.0, 0.0));OpDecorate %combinedimagesampler DescriptorSet 0
OpDecorate %combinedimagesampler Binding 0
%imageType = OpTypeImage %float 2D 0 0 0 1 Unknown
%sampleImageType = OpTypeSampledImage imageType
%ptr = OpTypePointer UniformConstant %sampleImageType
%combinedimagesampler = OpVariable %ptr UniformConstant
%load = OpLoad %sampleImageType %combinedimagesampler
%textureSampled = OpimagesampleExplicitLod %v4float %load %coordinate Lod %float_0VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER
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Note
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ユニフォームバッファは、バインド時に動的オフセットを持つこともできます（VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER_DYNAMIC）。 |
layout(set = 0, binding = 0) uniform uniformBuffer {
float a;
int b;
} ubo;
// GLSL での UBO からの読み込みの例
int x = ubo.b + 1;
vec3 y = vec3(ubo.a);OpMemberDecorate %uniformBuffer 0 Offset 0
OpMemberDecorate %uniformBuffer 1 Offset 4
OpDecorate %uniformBuffer Block
OpDecorate %ubo DescriptorSet 0
OpDecorate %ubo Binding 0
%uniformBuffer = OpTypeStruct %float %int
%ptr = OpTypePointer Uniform %uniformBuffer
%ubo = OpVariable %ptr UniformVK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER
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Note
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ストレージバッファは バインド時に動的なオフセット を持つこともできます (VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER_DYNAMIC) |
layout(set = 0, binding = 0) buffer storageBuffer {
float a;
int b;
} ssbo;
// GLSL で SSBO を読み書きする例
ssbo.a = ssbo.a + 1.0;
ssbo.b = ssbo.b + 1;|
Note
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Important
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OpMemberDecorate %storageBuffer 0 Offset 0
OpMemberDecorate %storageBuffer 1 Offset 4
OpDecorate %storageBuffer Block
OpDecorate %ssbo DescriptorSet 0
OpDecorate %ssbo Binding 0
%storageBuffer = OpTypeStruct %float %int
%ptr = OpTypePointer StorageBuffer %storageBuffer
%ssbo = OpVariable %ptr StorageBufferVK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_TEXEL_BUFFER
layout(set = 0, binding = 0) uniform textureBuffer uniformTexelBuffer;
// GLSL でのテクセルバッファの読み込みの例
vec4 data = texelFetch(uniformTexelBuffer, 0);OpDecorate %uniformTexelBuffer DescriptorSet 0
OpDecorate %uniformTexelBuffer Binding 0
%texelBuffer = OpTypeImage %float Buffer 0 0 0 1 Unknown
%ptr = OpTypePointer UniformConstant %texelBuffer
%uniformTexelBuffer = OpVariable %ptr UniformConstantVK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_TEXEL_BUFFER
// VK_FORMAT_R8G8B8A8_UINT
layout(set = 0, binding = 0, rgba8ui) uniform uimageBuffer storageTexelBuffer;
// GLSL でのテクセルバッファの読み書きの例
int offset = int(gl_GlobalInvocationID.x);
vec4 data = imageLoad(storageTexelBuffer, offset);
imagestore(storageTexelBuffer, offset, uvec4(0));OpDecorate %storageTexelBuffer DescriptorSet 0
OpDecorate %storageTexelBuffer Binding 0
%rgba8ui = OpTypeImage %uint Buffer 0 0 0 2 Rgba8ui
%ptr = OpTypePointer UniformConstant %rgba8ui
%storageTexelBuffer = OpVariable %ptr UniformConstantVK_DESCRIPTOR_TYPE_INPUT_ATTACHMENT
layout (input_attachment_index = 0, set = 0, binding = 0) uniform subpassInput inputAttachment;
// GLSL でのアタッチメントデータの読み込みの例
vec4 data = subpassLoad(inputAttachment);OpDecorate %inputAttachment DescriptorSet 0
OpDecorate %inputAttachment Binding 0
OpDecorate %inputAttachment InputAttachmentIndex 0
%subpass = OpTypeImage %float SubpassData 0 0 0 2 Unknown
%ptr = OpTypePointer UniformConstant %subpass
%inputAttachment = OpVariable %ptr UniformConstantプッシュ定数とは、シェーダでアクセス可能な値の小さな集まりです。プッシュ定数により、アプリケーションは、バッファを作成したり、更新のたびにディスクリプタセットを修正したりバインドしたりすることなく、シェーダで使用される値を設定することができます。
これらは、少量（数ワード）の頻繁に更新されるデータを、コマンドバッファの記録ごとに更新するように設計されています。
詳細は、プッシュ定数の章を参照してください。
特殊化定数とは、VkPipeline の作成時に SPIR-V の定数値を指定できる仕組みです。これは、高レベルのシェーディング言語（GLSL、HLSLなど）でプリプロセッサマクロを行うという考えを置き換えるもので、強力です。
アプリケーションが、それぞれの色の値が異なる VkPipeline を作成したい場合、2つのシェーダを用意するのが素朴な方法です。
// shader_a.frag
#version 450
layout(location = 0) out vec4 outColor;
void main() {
outColor = vec4(0.0);
}// shader_b.frag
#version 450
layout(location = 0) out vec4 outColor;
void main() {
outColor = vec4(1.0);
}ですが、特殊化定数を使えば、シェーダをコンパイルするために vkCreateGraphicsPipelines を呼び出す際に色を決定することができます。つまり、シェーダは1つあればいいということです。
#version 450
layout (constant_id = 0) const float myColor = 1.0;
layout(location = 0) out vec4 outColor;
void main() {
outColor = vec4(myColor);
}SPIR-V アセンブリ:
OpDecorate %outColor Location 0
OpDecorate %myColor SpecId 0
// 0x3f800000 as decimal which is 1.0 for a 32 bit float
%myColor = OpSpecConstant %float 1065353216特殊化定数では、値はシェーダ内の定数のままですが、たとえば、別の VkPipeline が同じシェーダを使用していて、myColor の値を 0.5f に設定したい場合、実行時に設定することができます。
struct myData {
float myColor = 1.0f;
} myData;
VkSpecializationMapEntry mapEntry = {};
mapEntry.constantID = 0; // GLSL では constant_id、SPIR-V では SpecId に一致します。
mapEntry.offset = 0;
mapEntry.size = sizeof(float);
VkSpecializationInfo specializationInfo = {};
specializationInfo.mapEntryCount = 1;
specializationInfo.pMapEntries = &mapEntry;
specializationInfo.dataSize = sizeof(myData);
specializationInfo.pData = &myData;
VkGraphicsPipelineCreateInfo pipelineInfo = {};
pipelineInfo.pStages[fragIndex].pSpecializationInfo = &specializationInfo;
// myColor を 1.0 とした最初のパイプラインを作成する
vkCreateGraphicsPipelines(&pipelineInfo);
// 同じシェーダで、異なる値を設定する2つ目のパイプラインを作成する
myData.myColor = 0.5f;
vkCreateGraphicsPipelines(&pipelineInfo);逆アセンブルした2つ目の VkPipeline シェーダでは、myColor の新しい定数値が 0.5f となっています。
特殊化定数の典型的な使用例は、3つに分類できます。
-
機能のトグル
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Vulkan内でサポートする機能は、実行時になるまでわかりません。この特殊化定数の使い方は、2つの別々のシェーダを書かないようにするためのもので、代わりに実行時の決定を定数として埋め込むものです。
-
-
バックエンド最適化の改善
-
タイプやメモリサイズに影響を与える
-
特殊化定数で使用される配列や変数型の長さを設定することが可能です。
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ここで重要なのは、これらのタイプとサイズに応じて、コンパイラがレジスタを割り当てる必要があるということです。つまり、割り当てられるレジスタに大きな差があると、パイプラインキャッシュが失敗する可能性が高くなります。
-
Vulkan 1.2で採用された VK_KHR_buffer_device_address 拡張により、「シェーダ内のポインタ」を持つ機能が追加されました。SPIR-V の PhysicalStorageBuffer ストレージクラスを使って、アプリケーションは vkGetBufferDeviceAddress を呼び出し、メモリへの VkDeviceAddress を返すことができます。
これはデータをシェーダにマッピングする方法ではありますが、シェーダとのインターフェイスになるわけではありません。たとえば、アプリケーションがユニフォームバッファでこれを使用したい場合、 VK_BUFFER_USAGE_SHADER_DEVICE_ADDRESS_BIT と VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT の両方を持つ VkBuffer を作成する必要があります。この例では、Vulkan はシェーダとのインターフェイスにディスクリプタを使用しますが、その後、物理ストレージバッファを使用して値を更新することができます。
Vulkan には、一度にバインドできるデータ量に制限があることが重要です。
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入力属性
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maxVertexInputAttributes -
maxVertexInputAttributeOffset
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ディスクリプタ
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maxBoundDescriptorSets -
ステージごとの制限
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maxPerStageDescriptorSamplers -
maxPerStageDescriptorUniformBuffers -
maxPerStageDescriptorStorageBuffers -
maxPerStageDescriptorSampledimages -
maxPerStageDescriptorStorageimages -
maxPerStageDescriptorInputAttachments -
型ごとの制限
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maxPerStageResources -
maxDescriptorSetSamplers -
maxDescriptorSetUniformBuffers -
maxDescriptorSetUniformBuffersDynamic -
maxDescriptorSetStorageBuffers -
maxDescriptorSetStorageBuffersDynamic -
maxDescriptorSetSampledimages -
maxDescriptorSetStorageimages -
maxDescriptorSetInputAttachments -
VkPhysicalDeviceDescriptorIndexingPropertiesDescriptor Indexing を使う場合 -
VkPhysicalDeviceInlineUniformBlockPropertiesEXTInline Uniform Block を使う場合
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プッシュ定数
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maxPushConstantsSize- すべてのデバイスで最低でも128バイトを保証
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