DirectX 12 - 根描述符无法正常工作

Question

在我的测试应用程序中，我将模型、视图和投影矩阵作为 32 位常量传递给着色器。现在我想切换到根描述符以减少我的根签名大小。我想将两个常量缓冲区传递给着色器。第一个包含模型矩阵（一个 4x4 矩阵），第二个包含视图和投影矩阵（两个 4x4 矩阵）。然而，使用根描述符，视图和投影矩阵工作得非常好。一旦我将模型矩阵从 32 位常量切换到根描述符，场景就不再渲染，尽管两个常量缓冲区的过程完全相同。 DirectX 没有显示任何错误，即使在调试层也是如此。

根参数代码

// Root Parameter: "CB_ModelMatrix"
rootParameters[0].ParameterType = D3D12_ROOT_PARAMETER_TYPE_CBV;
rootParameters[0].ShaderVisibility = D3D12_SHADER_VISIBILITY_VERTEX;
rootParameters[0].Descriptor.ShaderRegister = 0;
rootParameters[0].Descriptor.RegisterSpace = 0;

// Root Parameter: "CB_ViewProjectionMatrices"
rootParameters[1].ParameterType = D3D12_ROOT_PARAMETER_TYPE_CBV;
rootParameters[1].ShaderVisibility = D3D12_SHADER_VISIBILITY_VERTEX;
rootParameters[1].Descriptor.ShaderRegister = 1;
rootParameters[1].Descriptor.RegisterSpace = 0;

资源创建代码

// model matrix resource

D3D12_HEAP_PROPERTIES heapProperties = {};
heapProperties.Type = D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD;
heapProperties.CPUPageProperty = D3D12_CPU_PAGE_PROPERTY_UNKNOWN;
heapProperties.MemoryPoolPreference = D3D12_MEMORY_POOL_UNKNOWN;
heapProperties.CreationNodeMask = 1;
heapProperties.VisibleNodeMask = 1;

D3D12_RESOURCE_DESC resourceDescription = {};
resourceDescription.Dimension = D3D12_RESOURCE_DIMENSION_BUFFER;
resourceDescription.Alignment = 0;
resourceDescription.Width = (sizeof(t_ConstantBufferData_ModelMatrix) + 255) & ~255;
resourceDescription.Height = 1;
resourceDescription.DepthOrArraySize = 1;
resourceDescription.MipLevels = 1;
resourceDescription.Format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN;
resourceDescription.SampleDesc.Count = 1;
resourceDescription.SampleDesc.Quality = 0;
resourceDescription.Layout = D3D12_TEXTURE_LAYOUT_ROW_MAJOR;
resourceDescription.Flags = D3D12_RESOURCE_FLAG_NONE;

ThrowIfFailed(g_GraphicsDevice->CreateCommittedResource(&heapProperties, D3D12_HEAP_FLAG_NONE,
  &resourceDescription, D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, IID_PPV_ARGS(&g_ConstantBuffer_ModelMatrix)));

ThrowIfFailed(g_ConstantBuffer_ModelMatrix->Map(0, nullptr, reinterpret_cast<void**>(&g_ConstantBufferPointer_ModelMatrix)));

// view and projection matrices resource

D3D12_HEAP_PROPERTIES heapProperties = {};
heapProperties.Type = D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD;
heapProperties.CPUPageProperty = D3D12_CPU_PAGE_PROPERTY_UNKNOWN;
heapProperties.MemoryPoolPreference = D3D12_MEMORY_POOL_UNKNOWN;
heapProperties.CreationNodeMask = 1;
heapProperties.VisibleNodeMask = 1;

D3D12_RESOURCE_DESC resourceDescription = {};
resourceDescription.Dimension = D3D12_RESOURCE_DIMENSION_BUFFER;
resourceDescription.Alignment = 0;
resourceDescription.Width = (sizeof(t_ConstantBufferData_ViewProjectionMatrices) + 255) & ~255;
resourceDescription.Height = 1;
resourceDescription.DepthOrArraySize = 1;
resourceDescription.MipLevels = 1;
resourceDescription.Format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN;
resourceDescription.SampleDesc.Count = 1;
resourceDescription.SampleDesc.Quality = 0;
resourceDescription.Layout = D3D12_TEXTURE_LAYOUT_ROW_MAJOR;
resourceDescription.Flags = D3D12_RESOURCE_FLAG_NONE;

ThrowIfFailed(g_GraphicsDevice->CreateCommittedResource(&heapProperties, D3D12_HEAP_FLAG_NONE,
  &resourceDescription, D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, IID_PPV_ARGS(&g_ConstantBuffer_ViewProjectionMatrices)));

ThrowIfFailed(g_ConstantBuffer_ViewProjectionMatrices->Map(0, nullptr, reinterpret_cast<void**>(&g_ConstantBufferPointer_ViewProjectionMatrices)));

资源更新（模型矩阵）

t_ConstantBufferData_ModelMatrix CB_ModelMatrix = {};

// ...

std::memcpy(g_ConstantBufferPointer_ModelMatrix, &CB_ModelMatrix, sizeof(CB_ModelMatrix));
g_CommandList->SetGraphicsRootConstantBufferView(0, g_ConstantBuffer_ModelMatrix->GetGPUVirtualAddress());

资源更新（视图和投影矩阵）

t_ConstantBufferData_ViewProjectionMatrices CB_ViewProjectionMatrices = {};

// ...

std::memcpy(g_ConstantBufferPointer_ViewProjectionMatrices, &CB_ViewProjectionMatrices, sizeof(CB_ViewProjectionMatrices));
g_CommandList->SetGraphicsRootConstantBufferView(1, g_ConstantBuffer_ViewProjectionMatrices->GetGPUVirtualAddress());

顶点着色器中的常量缓冲区

struct t_ConstantBufferData_ModelMatrix
{
  float4x4 ModelMatrix;
};

struct t_ConstantBufferData_ViewProjectionMatrices
{
  float4x4 ViewMatrix;
  float4x4 ProjectionMatrix;
};

ConstantBuffer<t_ConstantBufferData_ModelMatrix> CB_ModelMatrix : register(b0, space0);
ConstantBuffer<t_ConstantBufferData_ViewProjectionMatrices> CB_ViewProjectionMatrices : register(b1, space0);

资源在程序开始时创建和映射，并在程序结束时取消映射。视图和投影矩阵资源每帧更新一次。由于我有多个具有不同转换的游戏对象，因此模型矩阵资源每帧更新多次。

我不明白为什么根描述符适用于视图和投影矩阵，但不适用于模型矩阵。也许我忽略了根描述符的基本机制？如果有人能告诉我我错过了什么，我将非常感激。

顺便问一个附带问题：在应用程序的整个生命周期内保持资源映射是否安全？我认为这样我可以实现更好的性能，而不是每次更新资源时都映射和取消映射资源。

编辑：

场景由 27 个立方体组成，它们在场景中心的 3x3x3 网格中渲染。其中一些立方体是在相机后面渲染的。在我使用相机更精确地探索场景并在图形调试工具的帮助下，我意识到只有最后一个立方体被渲染。为了渲染立方体网格，我在渲染函数中使用以下循环：

for (unsigned char t = 0; t < 27; t++)
{
  t_ConstantBufferData_ModelMatrix CB_ModelMatrix = {};
  CB_ModelMatrix.ModelMatrix = createModelMatrix(g_Transforms[t]);

  std::memcpy(g_ConstantBufferPointer_ModelMatrix, &CB_ModelMatrix, sizeof(CB_ModelMatrix));
  
  g_CommandList->SetGraphicsRootConstantBufferView(0, g_ConstantBuffer_ModelMatrix->GetGPUVirtualAddress());
  g_CommandList->DrawIndexedInstanced(36, 1, 0, 0, 0);
}

我根据当前立方体的变换创建一个模型矩阵，并将该矩阵复制到常量缓冲区。之后，绘制立方体。模型矩阵已正确创建，常量缓冲区的内存按预期更改。然而，只绘制了最后一个立方体。

我的假设是，命令列表中的绘制命令仅存储指向常量缓冲区的指针，并且在执行命令列表之前，缓冲区中仅存在最后一个立方体的模型矩阵。这可能是问题的原因吗？如果是这样，可以采取什么措施来解决？

Answer 1

简单的解决方案是让每个对象保留自己的常量缓冲区。请记住，您将需要 NUMBER_OF_OBJECTS * FRAME_COUNT 个 cbuffer，因为可能会覆盖 GPU 仍在使用的旧 cbuffer。 （仅当您有超过 1 帧处于飞行状态时，即您没有在每帧结束时等待 GPU 完成）。

更好的解决方案是每次需要时从全局大上传缓冲区中进行分配。这里有两种策略：线性分配器或环形分配器。我将在这里解释线性的，但是您可以在帖子末尾看到两种实现的链接。

它可能看起来像这样：

template<typename CBuffer>
inline constexpr uint32_t GetCBufferSize()
{
    return (sizeof(CBuffer) + (D3D12_CONSTANT_BUFFER_DATA_PLACEMENT_ALIGNMENT - 1)) & ~(D3D12_CONSTANT_BUFFER_DATA_PLACEMENT_ALIGNMENT - 1);
}
struct Allocation
{
    ID3D12Resource* buffer = nullptr;
    void* cpu_address = nullptr;
    D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS gpu_address = 0;
    size_t offset = 0;
    size_t size = 0;

    void Update(void* data, size_t size)
    {
        memcpy(cpu_address, data, size);
    }

    template<typename T>
    void Update(T const& data)
    {
        memcpy(cpu_address, &data, sizeof(T));
    }
};

class UploadBuffer
{
public:

    UploadBuffer(ID3D12Device* device, SIZE_T max_size_in_bytes)
    {
    auto heap_properties = CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD);
        auto buffer_desc = CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(max_size_in_bytes);
        BREAK_IF_FAILED(device->CreateCommittedResource(
        &heap_properties,
        D3D12_HEAP_FLAG_NONE,
        &buffer_desc,
        D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ,
        nullptr,
        IID_PPV_ARGS(&buffer)));

        CD3DX12_RANGE read_range(0, 0);
        BREAK_IF_FAILED(buffer->Map(0, &read_range, reinterpret_cast<void**>(&cpu_address)));
        gpu_address = buffer->GetGPUVirtualAddress();
    }

    Allocation Allocate(SIZE_T size_in_bytes, SIZE_T alignment)
    {
        offset_in_buffer = linear_allocator.Allocate(size_in_bytes, alignment);
        Allocation allocation{}; 
        allocation.buffer = buffer.Get();
        allocation.cpu_address = reinterpret_cast<uint8*>(cpu_address) + offset_in_buffer;
        allocation.gpu_address = gpu_address + offset_in_buffer;
        allocation.offset_in_buffer = offset_in_buffer;
        allocation.size = size_in_bytes;

        return allocation;
    }


    void Clear()
    {
        linear_allocator.Clear(); 
    }

private:
    LinearAllocator allocator;
    ComPtr<ID3D12Resource> buffer;
    uint8_t* cpu_address = nullptr;
    D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS gpu_address = 0;
};

使用示例：

//initalization
for(size_t i = 0; i < FRAMES_IN_FLIGHT; ++i)
{
    upload_buffers[i] = UploadBuffer(device, MAX_UPLOAD_BUFFER_SIZE);
}
//frame
UploadBuffer upload_buffer = GetUploadBufferForThisFrame();
upload_buffer.Clear(); 
//...
for(auto&& object : scene)
{
    //...
    model_matrix_cbuf.model_matrix = object.model_matrix;
    
    object_allocation = upload_buffer->Allocate(GetCBufferSize<ModelMatrixCBuffer>(), D3D12_CONSTANT_BUFFER_DATA_PLACEMENT_ALIGNMENT);
    object_allocation.Update(model_matrix_cbuf);
    cmd_list->SetGraphicsRootConstantBufferView(0, object_allocation.gpu_address); //or whatever root parameter index your cbuffer is 
}

请记住，这有点简化，因此更容易理解。

此外，如果您的应用程序是多线程的，您将需要使用互斥锁或使用原子来保护分配器调用。例如，您可以看到这个repo，一些但不是全部相关文件将是： LinearUploadBuffer.h/cpp、RingUploadBuffer.h/cpp、LinearAllocator.h/cpp、RingAllocator.h/cpp、DynamicAllocation.h。

Answer 2

我再次做了一些研究，假设我的方法不正确。我搜索了使用不同变换多次渲染同一组顶点的技术。最后，我偶然发现了“实例化”或“实例化绘图”。我知道这种技术存在，但在我读过的大多数教程中，它被归类为“高级图形编程”，稍后将讨论。在此教程（最初是为 DirectX 11 编写，但可以非常轻松地移植到 DirectX 12）我能够使用 3D 对象的多个实例正确渲染场景。除此之外，我可以摆脱将模型矩阵作为根参数传递给图形管道的情况。当使用实例时，渲染性能也会提高。

对于那些不熟悉这个概念的人，这里有一个简短的总结：

如果需要绘制共享同一组顶点但具有不同变换（以及根据教程的一些其他属性）的多个对象，则使用实例化。无需使用单独的绘制调用来渲染每个对象，而是可以仅使用单个绘制调用来渲染所有这些对象。这需要通过管道的输入数据布局将一些额外的信息（例如转换）传递给着色器。这些布局参数可以配置为由着色器接收，而不是每个顶点而是每个实例。当需要渲染许多对象（数百或数千个对象）时，实例化将极大地提高性能。

技术细节

在实现这一概念时，可以使用多种技术。

实例数据可以直接在着色器中计算。这是通过根据实例编号操作顶点数据来完成的，可以使用 SV_InstanceID 着色器语义检索实例编号。这种方法可能不太灵活。

还可以使用常量缓冲区将附加数据传递到着色器。

最后一种方法是使用“实例缓冲区”。实例缓冲区的创建方式与顶点缓冲区完全相同。它是一种资源，必须创建、填充数据（例如转换数据）并上传到 GPU。此外，实例缓冲区需要在管道的输入布局中引用。渲染帧时，必须使用 ID3D12GraphicsCommandList::IASetVertexBuffers 函数在管道中设置此缓冲区。最后，必须调用 ID3D12GraphicsCommandList::DrawIndexedInstanced，它将实例计数作为参数。然后，数据的进一步处理取决于着色器的实现。