利用Vulkan与OpenGL的CAD模型网格着色器样本

项目简介

该项目是一个展示如何使用网格着色器渲染大量三角形模型的示例。特别针对CAD模型，它们通常拥有高密度的三角面，因此处理（顶点着色、原始剔除等）大量的几何体可能成为挑战。通过Turing架构，引入了新的着色阶段，从而实现基于网格着色的新几何管线。

如图所示的新管线在这篇博客文章中有更详细的解释，建议先阅读该材料。

项目支持构建两个可执行文件：

1. 使用经典OpenGL窗口创建的gl_meshlet_cadscene
2. 使用WSI和Vulkan的vk_meshlet_cadscene

其中，Vulkan应用支持VK_NV_mesh_shader和跨供应商的VK_EXT_mesh_shader扩展，而OpenGL应用仅支持GL_NV_mesh_shader。对于VK_EXT_mesh_shader支持，请确保随附的shaderc_shared.lib(属于Vulkan SDK)实际支持该扩展。在发布此更新样例时，SDK可能尚未提供此支持，您可能需要自己编译库或等待一段时间。

样例概述

样例提供了两个数据集：

1. PTC提供的世界汽车CAD模型。
2. 由乔治亚理工学院提供的涡轮叶片3D扫描模型。

通过命令行参数加载其中一个模型配置文件，即可选择显示场景。每个配置都会实例化模型几次，以生成有意义的基准测试工作负载。

UI允许您在经典的和网格着色管线之间切换，并有各种可调整选项来观察不同配置对性能的影响。可以通过按V键启用或禁用垂直同步(vsync)，按R键重新加载着色器（前提是着色器无错误）。

请注意，性能可能会因硬件差异而有所不同，详情见性能部分。

主要设置

• 演示场景：如果没有通过命令行指定自定义模型，可以在此切换两种预设场景。
• 渲染器：在标准和网格着色器渲染器间切换，更多详情见下文。
• 视点：在一些预置摄像机视角间切换。
• 视场角(FOV)：相机视野角度。

网格着色器设置

建议使用数值输入，因为每次更改都会导致模型重新加载，也可以通过命令行传递许多设置。

• 网格let顶点数：每个网格let的最大唯一顶点数。

• 网格let多边形数：每个网格let的最大三角形数。

• 任务网格let计数：一个任务着色器工作组同时操作这么多网格let。

• 任务最小网格lets：如果绘制调用中的网格let数量大于或等于此值，或者如果设置为零，则使用只有网格阶段的渲染器。

• 任务像素剔除：影响任务着色器中子像素集群剔除的强度。1表示使用全分辨率，0.5可能剔除实际上可见但往往不明显的簇。

• 按网格let颜色化：只在网格渲染器中，通过碎片着色器可视化三角形簇。

• 启用按多边形剔除：在网格着色器中启用按多边形剔除（不基于用户剪裁平面进行剔除），否则使用drawmeshlet_*_basic.mesh.glsl。

• 也启用按顶点剔除：如果启用了按多边形剔除，也在drawmeshlet_*_cull.mesh.glsl中启用按顶点剔除。

• 启用片段巴塞尔坐标：启用硬件片段着色器中的巴塞尔坐标，这可以显著减少网格着色器传递给片段着色器的输出量并提高性能。我们只需要传递顶点索引，然后...

EXT 网格着色器偏好

如果支持VK_EXT_mesh_shader，将显示此菜单，允许您影响EXT任务和网格着色器。网格着色器对实现特定行为非常敏感，这些偏好有助于获得更好的性能。除了工作组大小外，这些偏好主要影响按多边形剔除的复杂情况。请注意，VkPhysicalDeviceMeshShaderPropertiesEXT中返回的值可能会随着新驱动版本的变化，即使在同一硬件上也是如此。

• 重置到默认实现：名称表明，以下值将重置为从设备查询的值。
• 紧凑顶点输出：本地网格let中的顶点紧密包装，只有经过剔除（如果有）的才会使用 [0 ... vertexCount-1] 入口。
• 紧凑多边形输出：本地网格let中的多边形紧密包装，只有经过剔除（如果有）的才会使用 [0 ... primitiveCount-1] 入口。
• 本地线程顶点输出：每个线程使用其 gl_LocalInvocationIndex 作为写入输出顶点数组的索引。
• 网格工作组大小：网格着色器工作组中的线程数。
• 任务工作组大小：任务着色器工作组中的线程数。

渲染设置

• 显示原始ID：以颜色显示三角形ID，用于评估“可见性缓冲区”填充性能。

• 显示网格let边界框：绘制网格let的边界框，用于任务着色器剔除。

• 显示网格let法线：绘制网格let的锥形法线，用于任务着色器剔除。

• 仅显示剔除的边界框/法线：仅绘制被任务着色器剔除的辅助图形。

• 启用背面剔除：影响固定功能以及任务或网格阶段中进行的剔除。

• 启用裁剪平面：启用三个裁剪平面，这意味着我们将增加顶点输出的数量。

• 裁剪位置：沿三个主轴的裁剪平面相对坐标。

模型设置

• 额外的v4属性：着色在这个示例中相对简单，无论是顶点属性还是传递到片段着色器的内容。这个值可以添加属性，模仿纹理坐标、切线等的顶点成本。设置为零意味着只有一个vec4加载，它包含顶点法线。
• 使用fp16属性：将顶点位置和属性编码为16位浮点数（半精度）。
• 模型副本：复制模型多次（共享几何内存）。

杂项设置

• 超分辨率：模拟更大的窗口分辨率或降采样，通过此因子增加实际渲染分辨率。此值的下采样质量较差，所以超过4x不会看起来更好。此值可用于调查亚像素剔除。

统计信息

• GPU渲染时间：渲染步骤所需的时间（不包括UI、blitting等）。
• 原始索引大小：原始索引缓冲区数据的大小。
• 网格let大小：所有网格let数据的大小，取代索引缓冲区。
• 详细统计：列出网格着色产生的各种统计数据。可能会消耗一些渲染性能。（激活时调整ui窗口大小或向下滚动）
  • 任务总数量：任务着色器工作组的数量（每个处理最多32个网格let）。
  • 网格总量：场景中的总网格let数。
  • 网格输出量：由网格着色器处理的网格let数量（第二个值是百分比）。
  • 多边形总量：场景中的总多边形数。
  • 多边形输出量：网格着色器输出的多边形数（第二个值是百分比）。
  • 顶点输入：网格着色器读取的位置顶点数。
  • 属性读取：网格着色器读取的属性顶点数（第二个值是百分比）。如果启用了按多边形剔除并且“按顶点剔除”已启用，则此值可能较低，因为此时网格着色器将在加载被剔除的属性时跳过。

网格let构造

在样本中，我们提供了一个基础的实现，即nvmeshlet_packbasic.hpp，在CPU上扫描索引缓冲区并创建网格let。这些网格let数据由drawmeshlet.*.glsl着色器用来在适当的渲染器中绘制模型。

下面的图表说明了代替原始三角形索引缓冲区的主要数据结构。在使用网格着色器渲染时，我们使用这三个缓冲区，而不是经典的索引缓冲区。

在示例中，你会找到一个网格let构建器，它扫描索引缓冲区并创建网格let。每个网格let都有一个头部，然后将原始和顶点索引交错存储在一个单一的缓冲区范围内，而不是两个单独的原始和顶点索引缓冲区。这种交错使得头部可以仅存储这两个的单一起始值，而不是两个独立的值，从而节省了一些位。

整体来说，这个开源项目提供了一种创新的方法，利用Vulkan和OpenGL的最新特性来优化大规模3D模型的渲染，无论是在CAD场景还是其他高密度几何体应用中，都能展现出卓越的性能和灵活性。借助它的强大工具和可调整选项，开发者可以深入探究现代GPU的潜力，优化自己的图形应用程序。