16. 정점 버퍼(Vertex Buffer)

0. 개요

단순히 정점버퍼에 대해 뿐만 아니라, GPU에서 이를 활용하기 위한 여러가지 작업에 대해서도 알아보겠다.

vertex buffer : GPU가 접근가능한 버퍼에 저장된 정점정보

 

정점 버퍼 및 뷰의 생성

앞서 배웠던 리소스의 생성과정과 동일하되. 추가적으로 해야할 작업들이 더있다.

 

1. 커스텀 정점형식 정의

• Vertex 구조체를 정의한다.
• 입력 배치 서술을 작성한다

 

2. 버퍼 생성

•  D3D12_RESOURCE_DESC 구조체를 정의하여 생성될 자원에 대해 서술한다
• D3D12_HEAP_PROPERTIES 구조체를 정의하여 자원이 저장될 heap에 대해 서술한다
• D3D12_CLEAR_VALUE 구조체를 정의하여 리소스를 초기화할 값을 결정한다
• ID3D12Device::CreateCommittedResource를 호출하여 resource를 생성한다.

 

3. 뷰 생성

• ID3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC를 정의한다.
• ID3D12Device::CreateDescriptorHeap를 호출하여 descriptor heap을 생성한다.
• 생성할 descriptor에 대한 D3D12_~_VIEW_DESC 구조체를 정의한다.
• descriptor heap의 handle과 view_desc, buffer를 참조하여 Create~~를 호출한다. 

D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW 인스턴스 생성 후 view가 서술할 버퍼의 정보를 참조

vertex buffer view는 생성함수의 호출없이 생성 가능하다

또한 vertex buffer view는 별도의 descriptor heap에 저장되지 않는다. 그렇기에 ID3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC를 정의할 필요가 없다.

 

3가지 각각의 과정에 대해 상세히 알아보자

 

1. 생성법

1-1. 커스텀 정점 형식(Custom Vertex Format)

GPU에서 정점 정보에 접근하기 위해선 정점에 대해 서술할 정점 구조체를 정의하고, 정점 구조체의 각 성분을 GPU에게 알리기 위한 입력 배치 서술을 작성해야한다.

1. 정점 구조체를 정의한다
2. 입력 배치 서술(input layout description)을 작성한다.

 

1-1-1. 정점 구조체

• 정의 : 정점에 대해 서술할 data를 담는 구조체
• 구성 : 정점의 공간적 위치 + 추가적인 자료(color, normal vector, texture...)

// 위치 + 색상
struct Vertex1 {
    XMFLOAT3 Pos;
    XMFLOAT4 Color;
};
 
// 위치 + 노말 벡터 + 2개의 
struct Vertex2 {
    XMFLOAT3 Pos;
    XMFLOAT3 Normal;
    XMFLOAT2 Tex0;
    XMFLOAT2 Tex1;
};

 

1-1-2. 입력 배치 서술

• 정점 구조체의 각 성분에 대해 direct3D에게 통보
• 하나의 정점 구조체는  D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC로 대표됨
  • D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC 의 필드인 InputLayout의 type
  • PSO 생성시 Vertex 구조체의 필드 정보를 서술하는 D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC를 pipeline에 묶을 수 있게 한다.
• 정점 구조체의 필드들은 D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC 형식의 배열 원소들로 각각 서술

typedef struct D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC {
  const D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC *pInputElementDescs; // array
 UINT                           NumElements;         // size of array
} D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC;
 
 
typedef struct D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC {
  LPCSTR                     SemanticName;
  UINT                       SemanticIndex;
  DXGI_FORMAT                Format;
  UINT                       InputSlot;
  UINT                       AlignedByteOffset;
  D3D12_INPUT_CLASSIFICATION InputSlotClass;
  UINT                       InstanceDataStepRate;
} D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC;

D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC 매개변수

• NumElements : D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC가 서술하고자 하는 vertex struct의 멤버 갯수
• pInputElementDescs : vertex struct의 각 멤버에 대해 서술하는 서술구조체, 타입이 D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC 이다. 

 

 

D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC 

1. LPCSTR SemanticName;

• 성분에 부여된 문자열 이름
• 정점 셰이더에서 의미소(semantic) 이름으로 쓰이므로, 반드시 유효한 변수이름 이어야 함
• 정점 구조체의 성분을 정점 셰이더 입력 서명과 대응시킴

 

2. UINT SemanticIndex;

• 의미소(semantic)에 부여된 색인(index)
• 첫번째 매개변수를 통해 전달된 semantic 이름에 두번째 매개변수의 index를 조합하여 정점 셰이더 입력 서명과 대응시킬 수 있음
• shader code에서 index가 지정되지 않은 semantic은 index를 0인것으로 간주함
  • ex : POSITION은 POSITION0에 해당함

 

3. DXGI_FORMAT Format;

• DXGI_FORMAT 열거형의 멤버(resource의 type과 일치함)
• vertex struct 성분의 자료 형식을 Direct3D에게 알려줌

 

4. UINT InputSlot;

• 이 성분의 자료를 가져올 정점 버퍼 슬롯의 색인
• Direct3D에서는 총 16개의 정점 버퍼 슬롯을 통해서 정점 자료를 공급할 수 있음

 

5. UINT AlignedByteOffset;

• 지정된 입력 슬롯에서, C++ 정점 구조체의 시작 위치와 이 정점 성분의 시작 위치 사이의 거리를 나타내는 offset(byte 단위)

struct Vertex2 {
    XMFLOAT3 Pos;        // offset : 0  byte
    XMFLOAT3 Normal;    // offset : 12 byte
    XMFLOAT2 Tex0;        // offset : 24 byte
    XMFLOAT2 tex1;        // offset : 32 byte
};
 

 

6. D3D12_INPUT_CLASSFICATION InputSlotClass

• 일단 항상 D3D12_INPUT_PER_VERTEX_DATA를 넣는다.
• 다른 값은 고급기법인 인스턴싱에 쓰임

 

7. UINT InstanceDataStepRate

• 일단 0을 지정

 

다른 값은 고급기법인 인스턴싱에 쓰임

 

사용 예

// engine code
 
struct Vertex {
    XMFLOAT3 Pos;
    XMFLOAT3 Normal;
    XMFLOAT2 Tex0;
    XMFLOAT2 Tex1;
};
 
std::vector<D3D12_INPUT_ELEMENT_DESC> mInputLayout;
 
Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D12PipelineState> mPSO = nullptr;
 
 
void InitVertexBuffer() {
    ...
 
    mInputLayout = {   
    {"POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0,
        D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0},
    {"NORMAL", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 12,
        D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0},
    {"TEXCOORD", 0, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT, 0, 24,
        D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0},
    {"TEXCOORD", 1, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT, 0, 32,
        D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0}
    };
 
    ...
}
 
 
void BuildPSO(){
 
    ...
 
 
    D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC mInputLayoutDesc;
    mInputLayoutDesc.pInputElementDescs    = mInputLayout.data();
    mInputLayoutDesc.NumElements        = (UINT)mInputLayout.size();
 
    D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC psoDesc;
    ZeroMemory(&psoDesc, sizeof(D3D12_GRAPHICS_PIPELINE_STATE_DESC));
    psoDesc.InputLayout = mInputLayoutDesc;
    // psoDesc.InputLayout = { mInputLayout.data(), (UINT)mInputLayout.size() };
 
    ...
 
}
 
 
 
// HLSL code
VertexOut VS(float3 iPos : POSITION,
             float3 iNormal : NORMAL,
            float2 iTex0 : TEXCOORD0,
            float2 iTex1 : TEXCOORD1)

InitVertexBuffer 함수 내에서 생성된 입력 배치 서술(mInputLayout)이 PSO를 생성하는 함수(BuildPSO)내에서 psoDesc의 필드에 결속되는것을 볼 수 있다. 그리고 추후 이 desc 구조체를 통해 생성된 PSO를 통해 파이프라인은 vertex buffer를 읽어내는 방법을 알아낼 수 있다.

즉, 이시점에서 D3D12_INPUT_LAYOUT_DESC는 vertex struct의 형태에 대한 정보만 담고 있을 뿐, Vertex struct 자체와는 엮이지는 않았다

 

 

1-2. 정점 버퍼 생성

vertex buffer또한 resource 이므로 여타 다른 버퍼들과 다르지 않다.

1.  D3D12_RESOURCE_DESC 구조체를 정의하여 생성될 자원에 대해 서술한다
2. D3D12_HEAP_PROPERTIES 구조체를 정의하여 자원이 저장될 heap에 대해 서술한다
3. D3D12_CLEAR_VALUE 구조체를 정의하여 리소스를 초기화할 값을 결정한다
4. ID3D12Device::CreateCommittedResource를 호출하여 resource를 생성한다.

예제 코드는 아래와 같다

Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D12Resource> VertexBufferGPU = nullptr;
 
ThrowIfFailed(md3dDevice.Get()->CreateCommittedResource(
        &CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD),
        D3D12_HEAP_FLAG_NONE,
        &CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(vbByteSize),
        D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ,
        nullptr,
       IID_PPV_ARGS(VertexBufferGPU.GetAddressOf())));

heap properties와 resource desc 구조체의 정의는 wrapper class를 이용했으며, clear value는 nullptr을 전달하여 1,2,3 과정을 최소화 하였다.

 

 

1-3. 정점 버퍼 뷰 생성

vertex buffer를 서술하기위한 descriptor를 만들어보자.

앞서 설명한대로 vertex buffer view의 생성은 여타 리소스들의 descriptor와는 약간 다르다

1. ID3D12_DESCRIPTOR_HEAP_DESC를 정의한다.
2. ID3D12Device::CreateDescriptorHeap를 호출하여 descriptor heap을 생성한다.
3. 생성할 descriptor에 대한 D3D12_~_VIEW_DESC 구조체를 정의한다.
4. descriptor heap의 handle과 view_desc, buffer를 참조하여 Create~~를 호출한다.

1, 2, 4 의 과정은 할 필요 없다. view를 생성하고 싶다면 그냥 D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW의 인스턴스를 생성 후 각 필드에 버퍼의 정보를 입력 하면 된다.

D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW 의 구조

typedef struct D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW {
  D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS BufferLocation;
  UINT                      SizeInBytes;
  UINT                      StrideInBytes;
} D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW;

필드

멤버	의미
1. D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS    BufferLocation;	$\bullet$ 생성할 뷰의 대상이 되는 정점 버퍼 자원의 가상 주소 $\bullet$ 이 주소는 ID3D12Resource::GetGPUVirtualAddress 메서드로 얻을 수 있다.
2. UINT SizeInBytes;	$\bullet$ BufferLocation에서 시작하는 정점 버퍼의 크기(바이트 갯수)
3. UINT StrideInBytes;	$\bullet$ 버퍼에 담긴 한 정점 원소의 크기(바이트 갯수)

 

 

D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW 생성 예제코드

struct Vertex {
   ...
};
Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D12Resource> VertexBufferGPU = nullptr;
std::array<Vertex, 8> vertices = { ... };
...
 
D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW vbv;
vbv.BufferLocation = VertexBufferGPU->GetGPUVirtualAddress();vbv.SizeInBytes = (UINT)vertices.size() * sizeof(Vertex);
vbv.StrideInBytes = sizeof(Vertex);

각 필드가 서로 다른 오브젝트의 데이터를 참조함에 주목하라

BufferLocation은 ID3D12Resource의 인스턴스를 가리키며, SizeInBytes 는 Vertex Instance 배열의 크기를 가지고, StrideInBytes 는 Vertex 구조체 자체의 크기를 가진다.

 

 

 

 

2. 사용법

지금까지 구조체를 통해 커스텀 정점 형식을 만들고, 입력 배치를 서술하고, 정점 버퍼를 만들고, 정점 버퍼 뷰 까지 생성하는 과정을 알아보았다.

이제 정점 정보를 GPU에 전달하기 위한 작업들에 대해 알아보았다.

 

2-1. 정점 정보 올리기

정점 정보를 vertex buffer에 올리는 방법에 대해 알아보겠다.

굉장히 다양한 방법이 있지만 여기서는 제일 직관적인 방법을 쓰겠다.

Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D12Resource> VertexBufferGPU = nullptr;std::array<Vertex, 8> vertices = { ... };
 
ThrowIfFailed(md3dDevice.Get()->CreateCommittedResource(
    &CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD),
    D3D12_HEAP_FLAG_NONE,
    &CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(vbByteSize),
    D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ,
    nullptr,
    IID_PPV_ARGS(VertexBufferGPU.GetAddressOf())));
    
// 생성된 리소스에 vertices의 정보를 넣어야 한다.
// Copy the triangle data to the vertex buffer.
void* vertexDataBuffer = nullptr;
CD3DX12_RANGE vertexReadRange(0, 0); // We do not intend to read from this resource on the CPU.
VertexBufferGPU->Map(0, &vertexReadRange, &vertexDataBuffer);
::memcpy(vertexDataBuffer, &vertices[0], vbByteSize);
VertexBufferGPU->Unmap(0, nullptr);

이해를 돕기 위해 CreateComittedResource 함수 호출부 까지 가저왔다.

결국 위 코드가 하는 행위는 vertices의 데이터를 VertexBufferGPU에 copy 하는것이다.

우선 CPU가 리소스에 데이터를 올리기 위해 D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD state로 자원을 생성한다.

그 후, 아래와 같은 구문을 통해 memcpy함수로 vertices의 정보를 버퍼에  복사하면된다.

그러면 resource에 vertices의 정보가 올라가는것이 완료된다.

각 함수들에 대한 정보는 추후 정리하겠다.

 

 

---

사실 바인딩과 명령제출은 vertex buffer가 아닌 command list가 수행하는 것이지만

vertex buffer가 연관된 부분인 만큼 여기서는 어떤식으로 이루어지는지 정도만 알아보겠다.

 

2-2. 바인딩

• 정점 버퍼(resource)와 뷰(descriptor)까지 생성했다면, 정점 버퍼 뷰를 pipeline의 한 입력슬롯에 묶을 수(bind) 있다.
• vertex buffer view의 binding이 끝나면 pipeline의 입력 조립 단계(IA)에 진입함
• ID3D12GraphicsCommandList::IASetVertexBuffers 메서드로 vertex buffer를 pipeline에 묶을 수 있다.

void ID3D12GraphicsCommandList::IASetVertexBuffers(
  UINT                           StartSlot,
  UINT                           NumViews,
  const D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW *pViews
);
 

필드	설명
1. UINT StartSlot;	$\bullet$ 시작 슬롯. 즉, 첫째 vertex buffer를 묶을(binding) 입력 슬롯의 index $\bullet$ 입력 슬롯은 총 16개이다(0~15)
2. UINT NumViews;	$\bullet$ 입력 슬롯들에 묶을(binding) 정점 버퍼 갯수 $\bullet$ 시작 슬롯의 색인이 k이고 묶을 버퍼가 n개 이면, 버퍼들은 입력슬롯 $I_k$,$I_{k+1}$,⋯$I_{k+n−1}$에 묶이게 된다.
3. const D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW *pViews	$\bullet$ binding될 정점 버퍼 뷰 배열의 첫 원소를 가리키는 포인터

 

메서드 호출 예

Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D12Resource> VertexBufferGPU = nullptr;
std::array<Vertex, 8> vertices = { ... };
 
...
 
D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW vbv;
vbv.BufferLocation = VertexBufferGPU->GetGPUVirtualAddress();
vbv.SizeInBytes = (UINT)vertices.size() * sizeof(Vertex);
vbv.StrideInBytes = sizeof(Vertex);
 
...
 
mCommandList->IASetVertexBuffers(0, 1, &vbv);

 

 

2-3. 명령제출

이제 정점 정보를 pipeline에 공급할 준비가 끝났다.

 ID3D12GraphicsCommandList::DrawInstanced 메서드를 호출하여 command list에 명령을 넣으면된다.

만약 index buffer를 사용한다면 DrawInstanced 대신 DrawIndexedInstanced를 호출하면 된다.

void DrawInstanced(
  UINT VertexCountPerInstance,
  UINT InstanceCount,
  UINT StartVertexLocation,
  UINT StartInstanceLocation
);

멤버	설명
1. UINT VertexCountPerInstance;	$\bullet$ 그릴 정점들의 갯수(인스턴스당)
2. UINT InstanceCount;	$\bullet$ 그릴 인스턴스 갯수 $\bullet$ 인스턴싱이라는 고급기법에서 쓰임(지금은 1을 설정)
3. UINT StartVertexLocation;	$\bullet$ 정점 버퍼에서 이 그리기 호출로 그릴 일련의 정점들 중 첫 정점의 index(0 기반)
4. UINT StartInstanceLocation;	$\bullet$ 고급 기법인 인스턴싱에 쓰임(지금은 0을 설정)

 

 

별첨

vertex buffer에 한정된 이야기는 아니지만, 기본 도형 위상 구조를 설정할 수 있어야 한다.

mCommandList->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
 

 

 

 

마무리

pipeline이 정육면체의 vertex 정보를 받는 일련의 과정을 코드로 표현하면 아래와 같다.

struct Vertex {
    XMFLOAT3 Pos;
    XMFLOAT4 Color;
};
 
Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D12Resource> VertexBufferGPU = nullptr;
int vertices_size;
 
void Init() {
    // 1. Custom Vertex Format
    std::array<Vertex, 8> org_vertices = {
        Vertex({ XMFLOAT3(-1.0f, -1.0f, -1.0f), XMFLOAT4(Colors::White) }),
        Vertex({ XMFLOAT3(-1.0f, +1.0f, -1.0f), XMFLOAT4(Colors::Black) }),
        Vertex({ XMFLOAT3(+1.0f, +1.0f, -1.0f), XMFLOAT4(Colors::Red) }),
        Vertex({ XMFLOAT3(+1.0f, -1.0f, -1.0f), XMFLOAT4(Colors::Green) }),
        Vertex({ XMFLOAT3(-1.0f, -1.0f, +1.0f), XMFLOAT4(Colors::Blue) }),
        Vertex({ XMFLOAT3(-1.0f, +1.0f, +1.0f), XMFLOAT4(Colors::Yellow) }),
        Vertex({ XMFLOAT3(+1.0f, +1.0f, +1.0f), XMFLOAT4(Colors::Cyan) }),
        Vertex({ XMFLOAT3(+1.0f, -1.0f, +1.0f), XMFLOAT4(Colors::Magenta) })
    };
 
 
    std::array<Vertex, 36> vertices = {
        org_vertices[0], org_vertices[1], org_vertices[2],
        org_vertices[0], org_vertices[2], org_vertices[3],
        org_vertices[4], org_vertices[6], org_vertices[5],
        org_vertices[4], org_vertices[7], org_vertices[6],
        org_vertices[4], org_vertices[5], org_vertices[1],
        org_vertices[4], org_vertices[1], org_vertices[0],
        org_vertices[3], org_vertices[2], org_vertices[6],
        org_vertices[3], org_vertices[6], org_vertices[7],
        org_vertices[1], org_vertices[5], org_vertices[6],
        org_vertices[1], org_vertices[6], org_vertices[2],
        org_vertices[4], org_vertices[0], org_vertices[3],
        org_vertices[4], org_vertices[3], org_vertices[7] };
 
    vertices_size = (UINT)vertices.size();
    
    // 2. 정점 버퍼 생성
    ThrowIfFailed(md3dDevice.Get()->CreateCommittedResource(
        &CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD),
        D3D12_HEAP_FLAG_NONE,
        &CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(vbByteSize),
        D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ,
        nullptr,
        IID_PPV_ARGS(VertexBufferGPU.GetAddressOf())));
    
    // 2a. 정점 정보 업로드
    void* vertexDataBuffer = nullptr;
    CD3DX12_RANGE vertexReadRange(0, 0); // We do not intend to read from this resource on the CPU.
    VertexBufferGPU->Map(0, &vertexReadRange, &vertexDataBuffer);
    ::memcpy(vertexDataBuffer, &vertices[0], vbByteSize);
    VertexBufferGPU->Unmap(0, nullptr);
 
    // 3. 정점 뷰 생성
    D3D12_VERTEX_BUFFER_VIEW vbv;
    vbv.BufferLocation = VertexBufferGPU->GetGPUVirtualAddress();
    vbv.SizeInBytes = (UINT)vertices.size() * sizeof(Vertex);
    vbv.StrideInBytes = sizeof(Vertex);
 
}
 
 
void Update() {
    // 3a. binding
    mCommandList->IASetVertexBuffers(0, 1, &vbv);
 
    // 4. 기본 도형 위상 구조 설정    
    mCommandList->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
 
    // 5. 그리기 명령 제출
    mCommandList->DrawInstanced(
        vertices_size,
        1, 0, 0);
}