加速结构（BLAS/TLAS） · Vulkan®教程镜像

目标：为模型的几何体创建*底层加速结构*（BLAS），并创建*顶层加速结构*（TLAS）来实例化这些 BLAS。将 TLAS 绑定到着色器，以便我们可以使用 Ray Query。

在场景中投射光线时，我们需要一个优化结构，能够快速识别光线击中了哪个三角形。GPU 使用加速结构将几何体分组到包围盒中，从而可以跳过场景中的大部分区域。光线遍历沿树状结构进行，高效地缩小到相交的三角形。具体实现取决于 GPU，对用户来说是不透明的。

我们的场景是一个从 OBJ 文件加载的简单 3D 模型（桌子上的植物）。提供的代码已经将模型的顶点、索引、法线和纹理加载到缓冲中。它将模型分为多个子网格，每个子网格都有自己的材质。

BLAS 保存一个网格或对象的几何体（三角形）。 TLAS 保存 BLAS 的实例（带变换），以构成完整的场景。我们将为每个不同的网格/材质创建一个 BLAS，并创建一个引用它们的 TLAS。 Ray Query 将使用 TLAS。在 Vulkan 中，构建加速结构涉及几个步骤：描述几何体、查询构建大小、分配缓冲、创建 AS 句柄，然后发出构建命令。

任务 2：为每个子网格创建 BLAS

转到 createAccelerationStructures 的定义。在这里，我们将首先为模型中的每个子网格创建 BLAS。代码已经有一个遍历 submeshes 的循环，其中包含几何体数据。

首先，我们需要描述 BLAS 的几何体。为此使用 vk::AccelerationStructureGeometryKHR 结构体：

// 准备几何体数据
auto trianglesData = vk::AccelerationStructureGeometryTrianglesDataKHR{
    .vertexFormat = vk::Format::eR32G32B32Sfloat,
    .vertexData = vertexAddr,
    .vertexStride = sizeof(Vertex),
    .maxVertex = submesh.maxVertex,
    .indexType = vk::IndexType::eUint32,
    .indexData = indexAddr + submesh.indexOffset * sizeof(uint32_t)
};

vk::AccelerationStructureGeometryDataKHR geometryData(trianglesData);

vk::AccelerationStructureGeometryKHR blasGeometry{
    .geometryType = vk::GeometryTypeKHR::eTriangles,
    .geometry = geometryData,
    .flags = vk::GeometryFlagBitsKHR::eOpaque
};

然后将其记录到构建信息结构体中：

vk::AccelerationStructureBuildGeometryInfoKHR blasBuildGeometryInfo{
    .type = vk::AccelerationStructureTypeKHR::eBottomLevel,
    .mode = vk::BuildAccelerationStructureModeKHR::eBuild,
    .geometryCount = 1,
    .pGeometries = &blasGeometry,
};

接下来，我们需要查询 BLAS 的内存需求：

// TASK02：查询此 BLAS 所需的内存大小
vk::AccelerationStructureBuildSizesInfoKHR blasBuildSizes =
    device.getAccelerationStructureBuildSizesKHR(
        vk::AccelerationStructureBuildTypeKHR::eDevice,
        blasBuildGeometryInfo,
        { primitiveCount }
);

此辅助函数使用 vkGetAccelerationStructureBuildSizesKHR()，并返回 BLAS 所需的内存大小。我们需要分配：

用于 BLAS 本身的缓冲。
另一个用于构建过程中使用的临时空间（scratch space）的缓冲。

然后我们可以创建这些缓冲，并将它们存储在持久数组中，因为稍后还会用到。

我们还需要创建 BLAS 句柄本身，这通过 vk::AccelerationStructureCreateInfoKHR 和使用 vkCreateAccelerationStructureKHR() 的设备辅助函数完成。句柄存储在向量中供以后使用（记住，每个子网格需要一个）：

// TASK02：创建并存储 BLAS 句柄
vk::AccelerationStructureCreateInfoKHR blasCreateInfo{
    .buffer = blasBuffers[i],
    .offset = 0,
    .size = blasBuildSizes.accelerationStructureSize,
    .type = vk::AccelerationStructureTypeKHR::eBottomLevel,
};

blasHandles.emplace_back(device.createAccelerationStructureKHR(blasCreateInfo));

// 将 BLAS 句柄保存到构建信息结构体中
blasBuildGeometryInfo.dstAccelerationStructure = blasHandles[i];

下图总结了到目前为止我们创建的所有结构和缓冲：

综合起来，我们需要提交一个命令缓冲来在 GPU 上构建 BLAS。这通过 vkCmdBuildAccelerationStructuresKHR() 完成，它接受构建信息和一个范围。范围增加了灵活性，可以一次性构建多个几何体，但这里每个 BLAS 只有一个几何体，因此保持简单：

// TASK02：准备 BLAS 的构建范围
vk::AccelerationStructureBuildRangeInfoKHR blasRangeInfo{
    .primitiveCount = primitiveCount,
    .primitiveOffset = 0,
    .firstVertex = firstVertex,
    .transformOffset = 0
};

最后，准备并提交一个命令缓冲，它将保存一个有效的底层加速结构句柄：

// TASK02：构建 BLAS
auto cmd = beginSingleTimeCommands();
cmd->buildAccelerationStructuresKHR({ blasBuildGeometryInfo }, { &blasRangeInfo });
endSingleTimeCommands(*cmd);

现在，场景中的每个模型都有一个 BLAS。接下来，我们需要将它们全部组合到一个 TLAS 中，该 TLAS 将被片段着色器使用。

任务 3：创建包含 BLAS 实例的 TLAS

现在我们有了 BLAS，需要创建一个引用它们的 TLAS。TLAS 将保存 BLAS 的实例，允许我们使用变换（位置、旋转、缩放）将它们放置在场景中。

我们可以在创建 BLAS 的同一子网格循环中创建实例。对于每个子网格，我们将创建一个引用相应 BLAS 句柄的实例。为此使用 vk::AccelerationStructureInstanceKHR 结构体：

// TASK03：为 TLAS 创建 BLAS 实例
vk::AccelerationStructureDeviceAddressInfoKHR addrInfo{
    .accelerationStructure = *blasHandles[i]
};
vk::DeviceAddress blasDeviceAddr = device.getAccelerationStructureAddressKHR(addrInfo);

vk::AccelerationStructureInstanceKHR instance{
    .transform = tm,
    .mask = 0xFF,
    .accelerationStructureReference = blasDeviceAddr
};

instances.push_back(instance);

注意，我们需要使用 vkGetAccelerationStructureDeviceAddressKHR() 获取 BLAS 的设备地址。我们暂时将变换矩阵设置为单位矩阵，稍后将在实验中重新讨论。

现在所有实例都存储在一个向量中，我们需要为 TLAS 准备实例数据。这涉及创建一个保存实例数据的缓冲。

使用与 BLAS 非常相似的方法，我们需要为 TLAS 构建准备数据、查询缓冲大小、分配缓冲、创建 TLAS 句柄，并发出构建命令。下图突出了 TLAS 所需的主要更改：

为了准备 TLAS 的几何体数据，我们将使用 vk::GeometryTypeKHR::eInstances 来表示我们正在从 BLAS 的实例构建 TLAS：

// TASK03：准备几何体（实例）数据
auto instancesData = vk::AccelerationStructureGeometryInstancesDataKHR{
    .arrayOfPointers = vk::False,
    .data = instanceAddr
};

vk::AccelerationStructureGeometryDataKHR geometryData(instancesData);

vk::AccelerationStructureGeometryKHR tlasGeometry{
    .geometryType = vk::GeometryTypeKHR::eInstances,
    .geometry = geometryData
};

然后将其记录到构建信息结构体中：

vk::AccelerationStructureBuildGeometryInfoKHR tlasBuildGeometryInfo{
    .type = vk::AccelerationStructureTypeKHR::eTopLevel,
    .mode = vk::BuildAccelerationStructureModeKHR::eBuild,
    .geometryCount = 1,
    .pGeometries = &tlasGeometry
};

接下来，我们需要查询 TLAS 的内存需求：

// TASK03：查询此 TLAS 所需的内存大小
vk::AccelerationStructureBuildSizesInfoKHR tlasBuildSizes =
    device.getAccelerationStructureBuildSizesKHR(
        vk::AccelerationStructureBuildTypeKHR::eDevice,
        tlasBuildGeometryInfo,
        { primitiveCount }
);

然后再次创建必要的缓冲。

为了创建 TLAS 句柄，我们像之前一样使用 vkCreateAccelerationStructureKHR()：

// TASK03：创建并存储 TLAS 句柄
vk::AccelerationStructureCreateInfoKHR tlasCreateInfo{
    .buffer = tlasBuffer,
    .offset = 0,
    .size = tlasBuildSizes.accelerationStructureSize,
    .type = vk::AccelerationStructureTypeKHR::eTopLevel,
};

tlas = device.createAccelerationStructureKHR(tlasCreateInfo);

// 将 TLAS 句柄保存到构建信息结构体中
tlasBuildGeometryInfo.dstAccelerationStructure = tlas;

再一次，我们需要为 TLAS 准备构建范围。这与 BLAS 类似，但现在我们使用实例计数。然后我们可以提交命令缓冲来构建 TLAS：

 // TASK03：准备 TLAS 的构建范围
 vk::AccelerationStructureBuildRangeInfoKHR tlasRangeInfo{
     .primitiveCount = primitiveCount,
     .primitiveOffset = 0,
     .firstVertex = 0,
     .transformOffset = 0
 };

// TASK03：构建 TLAS
auto cmd = beginSingleTimeCommands();
cmd->buildAccelerationStructuresKHR({ tlasBuildGeometryInfo }, { &tlasRangeInfo });
endSingleTimeCommands(*cmd);

完成！你现在已经创建了一个 TLAS，它引用模型中所有子网格的 BLAS。TLAS 已准备好用于片段着色器中的 Ray Query。

任务 4：将加速结构绑定到着色器

为了使加速结构在着色器中可用，我们需要为 TLAS 添加一个描述符集绑定。这可以在 createDescriptorSetLayout() 函数中完成（你可以暂时忽略更高的绑定）：

// TASK04：加速结构使用绑定 1
std::array global_bindings = {
    vk::DescriptorSetLayoutBinding( 0, vk::DescriptorType::eUniformBuffer, 1, vk::ShaderStageFlagBits::eVertex | vk::ShaderStageFlagBits::eFragment, nullptr),
    vk::DescriptorSetLayoutBinding( 1, vk::DescriptorType::eAccelerationStructureKHR, 1, vk::ShaderStageFlagBits::eFragment, nullptr),
    vk::DescriptorSetLayoutBinding( 2, vk::DescriptorType::eStorageBuffer, 1, vk::ShaderStageFlagBits::eFragment, nullptr),
    vk::DescriptorSetLayoutBinding( 3, vk::DescriptorType::eStorageBuffer, 1, vk::ShaderStageFlagBits::eFragment, nullptr),
    vk::DescriptorSetLayoutBinding( 4, vk::DescriptorType::eStorageBuffer, 1, vk::ShaderStageFlagBits::eFragment, nullptr)
};

接下来，我们需要更新描述符集以绑定 TLAS。这可以在 updateDescriptorSets() 函数中完成：

vk::WriteDescriptorSetAccelerationStructureKHR asInfo{
    .accelerationStructureCount = 1,
    .pAccelerationStructures = {&*tlas}
};

vk::WriteDescriptorSet asWrite{
    .pNext = &asInfo,
    .dstSet = globalDescriptorSets[i],
    .dstBinding = 1,
    .dstArrayElement = 0,
    .descriptorCount = 1,
    .descriptorType = vk::DescriptorType::eAccelerationStructureKHR
};

然后在调用 vkUpdateDescriptorSets() 时将 TLAS 包含在列表中：

std::array<vk::WriteDescriptorSet, 4> descriptorWrites{bufferWrite, asWrite, indexBufferWrite, uvBufferWrite};

device.updateDescriptorSets(descriptorWrites, {});

最后，在着色器中添加相应的属性：

// TASK04：加速结构绑定
[[vk::binding(1,0)]]
RaytracingAccelerationStructure accelerationStructure;

使用以下设置重新构建并运行：

#define LAB_TASK_LEVEL 4

你不会看到视觉上的变化，但请放心，你的加速结构现在已经设置好，可以在片段着色器中使用了。

任务 2：为每个子网格创建 BLAS

任务 3：创建包含 BLAS 实例的 TLAS

任务 4：将加速结构绑定到着色器

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