Блог

Я создаю учебное пособие по вычислению касательных и битангентов в вычислительном шейдере WGPU (Vulkan GLSL). Я создаю буфер вершин на процессоре из файла .obj, который я создал в blender.

Вот код для вычислительного шейдера.

 #version 450

#define VERTICES_PER_TRIANGLE 3
layout(local_size_x = VERTICES_PER_TRIANGLE) in;

// Should match the struct in model.rs
struct ModelVertex {
    vec3 position;
    vec2 tex_coords;
    vec3 normal;
    vec3 tangent;
    vec3 bitangent;
};

layout(std140, set=0, binding=0) buffer SrcVertexBuffer {
    ModelVertex srcVertices[];
};
layout(std140, set=0, binding=1) buffer DstVertexBuffer {
    ModelVertex dstVertices[];
};
layout(std140, set=0, binding=2) buffer IndexBuffer {
    uint Indices[];
};

void main() {
    uint index = gl_GlobalInvocationID.x;

    // Grab the indices for the triangle
    uint i0 = Indices[index];
    uint i1 = Indices[index   1];
    uint i2 = Indices[index   2];
    
    // Grab the vertices for the triangle
    ModelVertex v0 = srcVertices[i0];
    ModelVertex v1 = srcVertices[i1];
    ModelVertex v2 = srcVertices[i2];

    // Grab the position and uv components of the vertices
    vec3 pos0 = v0.position;
    vec3 pos1 = v1.position;
    vec3 pos2 = v2.position;
    vec2 uv0 = v0.tex_coords;
    vec2 uv1 = v1.tex_coords;
    vec2 uv2 = v2.tex_coords;

    // Calculate the edges of the triangle
    vec3 delta_pos1 = pos1 - pos0;
    vec3 delta_pos2 = pos2 - pos0;

    // This will give us a direction to calculate the
    // tangent and bitangent
    vec2 delta_uv1 = uv1 - uv0;
    vec2 delta_uv2 = uv2 - uv0;

    // Solving the following system of equations will
    // give us the tangent and bitangent.
    //     delta_pos1 = delta_uv1.x * T   delta_u.y * B
    //     delta_pos2 = delta_uv2.x * T   delta_uv2.y * B
    // Luckily, the place I found this equation provided
    // the solution!
    float r = 1.0 / (delta_uv1.x * delta_uv2.y - delta_uv1.y * delta_uv2.x);
    vec3 tangent = (delta_pos1 * delta_uv2.y - delta_pos2 * delta_uv1.y) * r;
    vec3 bitangent = (delta_pos2 * delta_uv1.x - delta_pos1 * delta_uv2.x) * r;

    // We'll use the same tangent/bitangent for each vertex in the triangle
    dstVertices[i0].tangent = tangent;
    dstVertices[i1].tangent = tangent;
    dstVertices[i2].tangent = tangent;
    dstVertices[i0].bitangent = bitangent;
    dstVertices[i1].bitangent = bitangent;
    dstVertices[i2].bitangent = bitangent;
}
  

Это приводит к изображению, подобному следующему.

Проблема возникает в последних шести строках.

 dstVertices[i0].tangent = tangent;
dstVertices[i1].tangent = tangent;
dstVertices[i2].tangent = tangent;
dstVertices[i0].bitangent = bitangent;
dstVertices[i1].bitangent = bitangent;
dstVertices[i2].bitangent = bitangent;
  

Если я удалю эти строки, результат будет в порядке (хотя все освещения неправильные из-за того, что касательная и битангенс являются вектором 0).

Почему изменение касательной и битовой связи влияет на положение вершин?

Вот остальная часть кода для контекста. https://github.com/sotrh/learn-wgpu/tree/compute/code/intermediate/tutorial14-compute

Редактировать:

Вот код, в котором я вызываю вычислительный шейдер.

 let src_vertex_buffer = device.create_buffer_init(amp;wgpu::util::BufferInitDescriptor {
    label: Some(amp;format!("{:?} Vertex Buffer", m.name)),
    contents: bytemuck::cast_slice(amp;vertices),
    // UPDATED!
    usage: wgpu::BufferUsage::STORAGE,
});
let dst_vertex_buffer = device.create_buffer_init(amp;wgpu::util::BufferInitDescriptor {
    label: Some(amp;format!("{:?} Vertex Buffer", m.name)),
    contents: bytemuck::cast_slice(amp;vertices),
    // UPDATED!
    usage: wgpu::BufferUsage::VERTEX | wgpu::BufferUsage::STORAGE,
});
let index_buffer = device.create_buffer_init(amp;wgpu::util::BufferInitDescriptor {
    label: Some(amp;format!("{:?} Index Buffer", m.name)),
    contents: bytemuck::cast_slice(amp;m.mesh.indices),
    // UPDATED!
    usage: wgpu::BufferUsage::INDEX | wgpu::BufferUsage::STORAGE,
});

let binding = BitangentComputeBinding {
    dst_vertex_buffer,
    src_vertex_buffer,
    index_buffer,
    num_elements: m.mesh.indices.len() as u32,
};

// Calculate the tangents and bitangents
let calc_bind_group = self.binder.create_bind_group(
    amp;binding, 
    device, 
    Some("Mesh BindGroup")
);
let mut encoder = device.create_command_encoder(amp;wgpu::CommandEncoderDescriptor {
    label: Some("Tangent and Bitangent Calc"),
});
{
    let mut pass = encoder.begin_compute_pass();
    pass.set_pipeline(amp;self.pipeline);
    pass.set_bind_group(0, amp;calc_bind_group, amp;[]);
    pass.dispatch(binding.num_elements as u32 / 3, 1, 1);
}
queue.submit(std::iter::once(encoder.finish()));
device.poll(wgpu::Maintain::Wait);
  

Предполагается, что шейдер перебирает все треугольники в сетке и вычисляет касательную и битангенс, используя положение и uv-координаты вершин этого треугольника. Я предполагаю, что вершины, которые совместно используются с несколькими треугольниками, записываются одновременно, что приводит к повреждению памяти.

Я не думаю, что это проблема с шейдерами в других местах, поскольку я использую ту же модель для освещения, а вершинный шейдер, ответственный за это, вообще не использует тангенс и битангенс.

 #version 450

layout(location=0) in vec3 a_position;

layout(location=0) out vec3 v_color;

layout(set=0, binding=0)
uniform Uniforms {
    vec3 u_view_position;
    mat4 u_view_proj;
};

layout(set=1, binding=0)
uniform Light {
    vec3 u_position;
    vec3 u_color;
};

// Let's keep our light smaller than our other objects
float scale = 0.25;

void main() {
    vec3 v_position = a_position * scale   u_position;
    gl_Position = u_view_proj * vec4(v_position, 1);

    v_color = u_color;
}
  

Просмотр данных вершин в документе рендеринга показывает, что они размещают данные, которые становятся запутанными.

Также вот как выглядят кубы, если я установлю тангенс и битангенс vec3(0, 1, 0) .

Я только предполагаю, что буферы хранилища имеют правило выравнивания байтов, о котором я не знаю. Я знаю, что это относится к однородным буферам, но я использую буферы хранения для моего инстанцирующего кода, и, похоже, у этого нет никаких проблем.

Оказывается, GLSL в стиле Vulkan выравнивается по самому большому полю в структуре при использовании std430 .

https://github.com/KhronosGroup/glslang/issues/264

В моем случае это vec3 . vec2 tex_coord Он отключается, заставляя шейдер извлекать данные из неправильных частей буфера вершин.

Исправление состояло в том, чтобы изменить struct in model_load.comp , чтобы вместо этого указать отдельные компоненты.

 struct ModelVertex {
    float x; float y; float z;
    float uv; float uw;
    float nx; float ny; float nz;
    float tx; float ty; float tz;
    float bx; float by; float bz;
};
  

Теперь базовое выравнивание равно a float (4 байта), и шейдер правильно считывает данные буфера вершин.

Я знаю, что есть packed макет, но shaderc не позволяет мне использовать его по независящим от меня причинам. Честно говоря, я думаю, что это довольно раздражает и громоздко, но это работает.

В результате все еще есть недостаток. На краевых гранях куба есть некоторые полосы. Я предполагаю, что одна вершина разделяет несколько треугольников, но это еще одна проблема, которую мне придется рассмотреть позже.