采样器

在着色器中是可以直接访问图像数据，但当图像被作为纹理时，我们通常不这样做。通常我们使用采样器来访问纹理数据，采样器可以自动地对纹理数据进行过滤和变换处理。

采样器进行的过滤操作可以很好地处理纹理采样过密的问题。考虑一个被映射到一个几何图元上的纹理，每个纹素占据了多个片段。如果我们直接采样与片段最近的纹素作为片段颜色，可能就会得到下面第一幅图的效果：

image

如果使用线性插值组合4个最近的纹素，我们可以得到上面第二幅图的效果。当然，有时候我们可能会喜欢第一幅图的效果(比如在编写类似我的世界这种游戏时)，当通常来说我们更多的想要第二幅图的效果。采样器可以自动地为我们进行上面这样的纹理过滤。

与之相反的是纹理采样过疏的问题，这种情况发生在多个纹素被映射到一个片段时。这会造成幻影现象，如下面第一幅图：

image

上面第二幅图，我们可以看到远处的纹理已经变得模糊不清。解决这一问题的方法是使用采样器进行各向异性过滤。

除了上面这些过滤器，采样器还可以进行变换操作。变换操作发生在采样超出纹理图像实际范围的数据时，下面这些图像就是使用采样器的变换操作产生的：

image

我们编写一个叫做createTextureSampler的函数来创建采样器对象。之后，我们会在着色器中使用创建的采样器对象采样纹理数据。

void initVulkan() {
        ...
    createTextureImage();
    createTextureImageView();
    createTextureSampler();
        ...
}

        ...

void createTextureSampler() {

}

采样器对象的配置需要填写VkSamplerCreateInfo结构体，通过它可以指定采样器使用的过滤器和变换操作。

VkSamplerCreateInfo samplerInfo = {};
samplerInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_SAMPLER_CREATE_INFO;
samplerInfo.magFilter = VK_FILTER_LINEAR;
samplerInfo.minFilter = VK_FILTER_LINEAR;

magFilter和minFilter成员变量用于指定纹理需要放大和缩小时使用的插值方法。纹理放大会出现采样过密的问题，纹理缩小会出现采样过疏的问题。对于这两个成员变量，设置其值为VK_FILTER_NEAREST或VK_FILTER_LINEAR，分别对应上面我们讨论的两种过滤方式。

samplerInfo.addressModeU = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;
samplerInfo.addressModeV = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;
samplerInfo.addressModeW = VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT;

addressModeU、addressModeV和addressModeW用于指定寻址模式。这里的U、V、W对应X、Y和Z轴。它们的值可以是下面这些：

  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT：采样超出图像范围时重复纹理

  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_MIRRORED_REPEAT：采样超出图像范围时重复镜像后的纹理

  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_EDGE：采样超出图像范围时使用距离最近的边界纹素

  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_MIRROR_CLAMP_TO_EDGE：采样超出图像范围时使用镜像后距离最近的边界纹素

  • VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_BORDER：采样超出图像返回时返回设置的边界颜色

在这里，我们的采样不会超出图像范围，所以暂时不用关心使用的寻址模式。通常来说，VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_REPEAT模式是最常用的，可以用它来实现平铺纹理的效果。

samplerInfo.anisotropyEnable = VK_TRUE;
samplerInfo.maxAnisotropy = 16;

anisotropyEnable和maxAnisotropy成员变量和各向异性过滤相关。通常来说，只要性能允许，我们都会开启各向异性过滤。maxAnisotropy成员变量用于限定计算最终颜色使用的样本个数。maxAnisotropy成员变量的值越小，采样的性能表现越好，但采样结果质量较低。目前为止，还没有图形硬件能够使用超过16个样本，同时即使可以使用超过16个样本，采样效果的增强也开始变得微乎其微。

samplerInfo.borderColor = VK_BORDER_COLOR_INT_OPAQUE_BLACK;

borderColor成员变量用于指定使用VK_SAMPLER_ADDRESS_MODE_CLAMP_TO_BORDER寻址模式时采样超出图像范围时返回的边界颜色。边界颜色并非可以设置为任意颜色。它可以被设置为浮点或整型格式的黑色、白色或透明色。

samplerInfo.unnormalizedCoordinates = VK_FALSE;

unnormalizedCoordinates成员变量用于指定采样使用的坐标系统。将其设置为VK_TRUE时，采样使用的坐标范围为[0, texWidth)和[0, texHeight)。将其设置为VK_FALSE，采样使用的坐标范围在所有轴都是[0, 1)。通常使用VK_FALSE的情况更常见，这种情况下我们可以使用相同的纹理坐标采样不同分辨率的纹理。

samplerInfo.compareEnable = VK_FALSE;
samplerInfo.compareOp = VK_COMPARE_OP_ALWAYS;

通过compareEnable和compareOp成员变量，我们可以将样本和一个设定的值进行比较，然后将比较结果用于之后的过滤操作。通常我们在进行阴影贴图时会使用它。暂时我们不使用这一功能，在之后的章节，我们会对这一功能进行更为详细地介绍。

samplerInfo.mipmapMode = VK_SAMPLER_MIPMAP_MODE_LINEAR;
samplerInfo.mipLodBias = 0.0f;
samplerInfo.minLod = 0.0f;
samplerInfo.maxLod = 0.0f;

mipmapMode、mipLodBias、minLod和maxLod成员变量用于设置分级细化(mipmap)，我们会在之后的章节对分级细化进行介绍，它可以看作是过滤操作的一种。

至此，我们就完成了VkSamplerCreateInfo结构体的填写。现在添加一个类成员变量来存储我们调用vkCreateSampler函数创建的采样器对象：

VkImageView textureImageView;
VkSampler textureSampler;

        ...

void createTextureSampler() {
        ...

    if (vkCreateSampler(device, &samplerInfo, nullptr, &textureSampler) != VK_SUCCESS) {
        throw std::runtime_error("failed to create texture sampler!");
    }
}

需要注意，采样器对象并不引用特定的VkImage对象，它是一个用于访问纹理数据的接口。我们可以使用它来访问任意不同的图像，不管图像是一维的、二维的、还是三维的。这和一些旧的图形API将纹理图像和过滤设置绑定在一起进行采样是不同的。

最后，我们需要在应用程序结束前清除我们创建的采样器对象：

void cleanup() {
    cleanupSwapChain();

    vkDestroySampler(device, textureSampler, nullptr);
    vkDestroyImageView(device, textureImageView, nullptr);

        ...
}