跨平台渲染框架尝试 - Texture管理

纹理是渲染器重要的资源，也是比较简单的资源。本文将详细讨论纹理资源的管理。

在资源管理概述中提到，资源就是一堆内存和CPU与GPU的访问权限。纹理管理在资源管理之上，要负责如何使用者一堆内存构造纹理对象，并告诉渲染器如何使用平台相关的纹理对象。下面，我们开始详细论述。

1. 纹理资源

首先纹理资源是GPU可以使用到的资源。它与Buffer资源不同的地方在于，相邻像素的插值计算中，纹理比Buffer简单并快得多，因为有相应的硬件实现。纹理资源字面意义上就像是一张像素图，但它不仅限于二维的像素的图，还有一维和三维的。如下图，截于Practise Rendering and Computation with Direct3D 11

此外，除了作为RenderTarget和DepthStencil的纹理，一般都有mipmap.  纹理的原始数据作为mipmap的第零级，而每往下一级的mipmap尺寸是上一级的一半。这些基本的概念都会在一些图形学的书中出现，这里就不赘述了。

有的纹理资源除了有mipmap之外，还是一个纹理数组(Texutre Array)。Cube Map是一个很特别的纹理数组，其数组大小始终为6，Cube Map Array始终是6的倍数。而Texture3D Array出于存储大小的原因，暂时不被各种API支持。

纹理数组与mipmap通常是统一管理的，使用Subresource的概念。如下图

以一个纹理大小为8个像素，数组大小为3的Texture1D Array对象为例，其subresource的编号一次由第一张纹理的mipmap第0级至第一张的第3级，再从第二级的mipmap第0级开始一次类推。

纹理的管理还有一个很重要的内容，就是像素格式。像素格式有压缩与无压缩之分，压缩的像素格式主要是以BC1-7位代表的有损压缩格式，由于其以4x4像素为单位的存储方式，它会影响其subresource真正的物理大小。如下图

无压缩的纹理在生成mipmap的时候，纹理大小始终与占用的物理内存大小一致，如上图左边的纹理。而BC压缩纹理，其纹理有一个虚拟尺寸，需要将纹理的大小向4对齐，所以其实际占用的内存大小要更多一些。详细请参阅文档 https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/bb694531(v=vs.85).aspx

综上所述，纹理需要管理如下内容。纹理类型，像素格式，纹理大小及Subresource.

2. 设计

在管理纹理的类型，上一文中已经展示方法，就是object_type的scoped枚举类型中赋予相应的值，再来回顾一下

namespace pipeline
{
    enum class object_type
    {
        texture_1d,
        texture_2d,
        texture_3d,
        texture_cube,
        texture_1d_array,
        texture_2d_array,
        texture_cube_array,
        texture_rt,
        texture_dp,
    };
}

像素格式，同样适用一个scoped枚举类型。

namespace pipeline
{
    enum class pixel_format
    {
        unknown,
        rgba_32,
        //.......
        bc_1,
        //.......
    };
}

下面先给出texture纹理模板的实现，再来详细讨论。

namespace pipeline
{
    template <typename Impl>
    struct texture_traits;

    struct subresource
　　{
　　　　uint16_t widht;
　　　　uint16_t height;
　　　　uint16_t depth;
　　　　uint16_t array_size;
　　　　uint16_t mip_level;
　　　　size_t　 row_pitch;
　　　　size_t　 slice_pitch;
　　　　byte*　　 ptr;
　　}; 
    template <typename Impl>
    class texture : public resource<texture<Impl>>
    {public:
        using base_type = resource<texture<Policy>>;
        using this_type = texture;using subresource_constainer = std::vector<subresource>;
        using traits_type = texture_traits<Impl>;
 
    protected:
 
        texture(string const& name, pixel_format format, uint16_t width,
            uint16_t height, uint16_t depth, uint16_t array_size, bool has_mipmap) noexcept
            : base_type(name)
   　　　　　, pixel_format_(format)
            , width_(width)
            , height_(height)
            , depth_(depth)
            , array_size_(size)
            , has_mipmap_(has_mipmap)
            , subresources_()
        {
 
        }
 
    public:
 
        template <typename = std::enable_if_t<traits_type::is_texture_1d()>>
        void resize(uint16_t widht) noexcept
        {
            width_ = widht;
        }
 
        template <typename = std::enable_if_t<traits_type::is_texture_2d()>>
        void resize(uint16_t widht, uint16_t height) noexcept
        {
            width_ = widht;
            height_ = height;
        }
 
        template <typename = std::enable_if_t<traits_type::is_texture_3d()>>
        void resize(uint16_t widht, uint16_t height, uint16_t depth) noexcept
        {
            width_ = widht;
            height_ = height;
            depth_ = depth
        }
 
        template <typename = std::enable_if_t<traits_type::is_texture_array()>>
        void set_array_size(uint16_t array_size) noexcept
        {
            array_size_ = array_size * traits_type::array_size_unit();
        }
 
        void set_pixel_format(pixel_format pixel_format)
        {
            traits_type::validate_format(pixel_format);
            pixel_format_ = pixel_format;
        }
 
        uint16_t width() const noexcept
        {
            return width_;
        }
 
        uint16_t height() const noexcept
        {
            return height_;
        }
 
        uint16_t depth() const noexcept
        {
            return depth_;
        }
 
        uint16_t array_size() const noexcept
        {
            return array_size_;
        }
 
        bool& mipmap() noexcept
        {
            return has_mipmap_;
        }
 
        bool mipmap() const noexcept
        {
            return has_mipmap_;
        }
 
        void construct()
        {
            detail::subresource_generator gen
            {
                pixel_format_, width_, height_, depth_,  array_size_ , has_mipmap_
            };
 
            data_ = std::move(gen.data());
            size_ = data_.size();
            subresources_ = std::move(gen.subresource());
        }
 
        decltype(auto) begin() noexcept
        {
            return subresources_.begin();
        }
 
        decltype(auto) end() noexcept
        {
            return subresources_.end();
        }
 
    private:
        pixel_format    pixel_format_;
        uint16_t        width_;
        uint16_t        height_;
        uint16_t        depth_;
        uint16_t        array_size_;
        bool            has_mipmap_;
 
        subresource_constainer    subresources_;
    };
}

这里之所以要用模板，是为了尽可能的不写DRY的代码。

剖析resize函数。这个函数有三个知识点。

1. default tempalte parameter & template member function overload resolution;

2. substitution failure is no an error(SFINAE);  http://en.cppreference.com/w/cpp/language/sfinae

3. std::enable_if; http://www.boost.org/doc/libs/1_59_0/libs/core/doc/html/core/enable_if.html

如果把resize函数在texture_2D，texture_rt，texture_2d_array等都实现一遍，代码就很DRY了，并且texture_1d不能resize height分量。这里就使用了一些元编程的技巧，通过模板的traits模式做编译期的反射，配合enable_if帮我们在编译期决议resize函数是否有效。简而言之，就是texture_1d如果尝试使用resize两个参数的重载，在编译器就会报错。这样，代码只需要在texture基类实现一遍就能保证既不会出现重复代码， 又保证了编译期的安全性。类似的函数同理。

set_pixel_format函数把当前像素格式是否有效的任务分派给了traits来完成。比如texture_3d不能是bc系列的格式，texture_rt与texture_dp都有特定的像素格式。

由于texture是一个复杂对象(complex object)，中间有stl容器作为成员变量，RAII的模式不太适合，因此设置参数的函数都只是一些成员变量的赋值，construct函数才是真正创建它的函数。construct函数会为texture分配内存并填充subresource. detail::subresource_generator是一个辅助类，传递texture创建所需要的全部参数，它将在构造函数中完成对texture的内存分配和填充subresource. 这里为了异常安全(exceptional safe)，所有的创建都在辅助类里面，创建完毕后使用move语义，高效的将创建好的内存和subresource信息移动到texture相应的成员中。如果在创建过程中发生异常，texture的状态不会发生改变，并且辅助类对象可以完美地保证资源不会泄露。下面给出辅助类的设计。

namespace pipeline { namespace detail
{
    struct subresource_generator
    {
        subresource_generator(
            pixel_format format,
            uint16_t width,
            uint16_t height,
            uint16_t depth,
            uint16_t array_size,
            bool mipmap)
        {
            construct(format, width, height, depth, array_size, mipmap);
        }
 
        void construct(pixel_format format, uint16_t width, uint16_t height, uint16_t depth, uint16_t array_size, bool mipmap)
        {
            // 没有texture3D array
            if (depth >  && array_size > )
                throw std::exception();
 
            // 不支持超过15层的mipmap，原始像素太大
            auto mip_levels = mipmap ? uint16_t{  } : calculate_mipmap_level(width, height, depth);
            if (mip_levels > )
                throw std::exception();
 
            auto subresource_count = (mip_levels + ) * array_size;
            subresources_.resize(subresource_count);
 
            size_t texture_size = ;
            auto loop = size_t{  };
            for (uint16_t array_index = ; array_index < array_size; ++array_index)
            {
                for (uint16_t mip_level = ; mip_level <= mip_levels; ++mip_level)
                {
                    auto& subres = subresources_[loop++];
                    subres.mip_level = mip_level;
                    subres.array_index = array_index;
                    subres.width  = std::max<uint16_t>(width >> mip_level, );
                    subres.height = std::max<uint16_t>(height >> mip_level, );
                    subres.depth  = std::max<uint16_t>(depth >> mip_level, );
                    std::tie(subres.row_pitch, subres.slice_pitch) =
                        calculate_pitch_size(format, subres.width, subres.height);
 
                    texture_size += subres.slice_pitch * depth;
                }
            }
 
            data_.resize(texture_size);
            auto ptr = data_.data();
            for (auto& sub_res : subresources_)
            {
                sub_res.pointer = ptr;
                ptr += sub_res.slice_pitch * sub_res.depth;
            }
        }
 
        auto move_data()->std::vector<byte>&&
        {
            return std::move(data_);
        }
 
        auto move_subres()->std::vector<subresource>&&
        {
            return std::move(subresources_);
        }
 
    private:
        std::vector<subresource>    subresources_;
        std::vector<byte>            data_;
    };
} }

辅助类主要就是实现构造函数中调用的construct函数，首先它会调用calculate_mipmap_level来计算这张纹理会产生多少级的mipmap，如果它有纹理的话。接着再根据纹理的像素格式，纹理是否是Texture Array等信息为每一个subresource计算信息。这里要提到的两个函数，一个就是calculate_mipmap_level，其实现大概如下

namespace pipeline { namespace detail
{
    uint16_t calculate_mipmap_level(uint16_t width, uint16_t height, uint16_t depth)
    {
        auto mipmap_level = std::max<uint16_t>(log2_integral(width), log2_integral(height));
        mipmap_level = std::max<uint16_t>(log2_integral(depth), mipmap_level);
        return mipmap_level;
    }
} }

其中调用的log2_integral是针对整数计算有快速优化的版本。

template <typename T>
    auto log2_integral(T t)
        -> std::enable_if_t<std::is_integral<T>::value, T>
    {
        T log2 = (t & 0xAAAAAAAAu) != ;
        log2 |= ((t & 0xFFFF0000u) != ) << ;
        log2 |= ((t & 0xFF00FF00u) != ) << ;
        log2 |= ((t & 0xF0F0F0F0u) != ) << ;
        log2 |= ((t & 0xCCCCCCCCu) != ) << ;
        return log2;
    }

其次就是calculate_pitch_size函数，给定纹理的像素格式与宽和高，就能算出subresource需要的row_pitch和slice_pitch. 如果是对非压缩的像素格式，直接使用纹理的宽高原始数据就好了。但是如果使用的是压缩格式，例如BC系列的纹理格式，那么就不能逐像素(pixel wise)计算，而得逐块计算，并且也有额外的内存分配。这个函数实现比较长就不贴出来了，大家自行脑补。

接下来就是如何实作纹理的类型了。object_type中全部的纹理类型都会对应一个实作的类，篇幅原因这里以texture_2d为例。

namespace pipeline
{
    template <>
    struct texture_traits<texture_2d>
    {
        static constexpr bool is_texture_1d()
        {
            return false;
        }
 
        static constexpr bool is_texture_2d()
        {
            return true;
        }
 
        static constexpr bool is_texture_3d()
        {
            return false;
        }
 
        static constexpr bool is_texture_cube()
        {
            return false;
        }
 
        static constexpr bool is_texture_array()
        {
            return false;
        }
 
        static void validate_format()
        {
 
        }
    };
 
    class texture_2d : public texture<texture_2d>
    {
        typedef texture<texture_2d> base_type;
    public:
        static constexpr object_type type()
        {
            return object_type::texture_2d;
        }
 
    public:
        explicit texture_2d(std::string const& name)
            : base_type(name, pixel_format::unknown, , , , , false) noexcept
        {
 
        }
    };
} 

实作的texture_2d首先需要特化texture_traits模板，提供给texture模板使用。而texture_2d实作的代码就很少了，仅仅只需要实现一个type函数，提供给texture模板的构造函数使用。如果有特殊需求，还可以给出更复杂的构造函数以方便使用。texture_2d以奇异递归模板模式(CRTP)传递类型信息到texture模板，再与texture_traits合作能够避免实作中大量的重复代码，还能保证编译期的里氏替换原则(LSP)。

Texture管理的平台无关实作就介绍到这里，下面几篇将介绍Buffer的平台无关的管理。Buffer的管理比Texture更复杂。