GPU深度發掘(二)::OpenGL FrameBuffer Object 101(ZZ)

 

作者：by Rob 'phantom' Jones                  介紹   Frame Buffer Object(FBO)擴充，被推薦用於把資料渲染到紋理對像。相對於其它同類技術，如資料拷貝或交換緩衝區等，使用FBO技術會更高效並且更容易實現。 在這篇文章中，我將會快速地講解一下如何來使用這一擴充，同時會介紹一些在使用過程中我們要注意的地方。學會該技術後，你便可以把一些渲染到紋理(render to texture)的功能加入到你的程式中，實現更快速的運行。 建立 和OpenGL中的其它對像一樣，如紋理對像(texture object), 像素緩衝對像(pixel buffer objects) , 項點緩衝對像(vertex buffer object)等，在使用一個FBO對像之前，你必須先要產生該對像，並取得一個有效對像標識。 GLuint fbo; glGenFramebuffersEXT(1, &fbo); 要對一個FBO進行任何的操作，你必須先要對它進行綁定。這一步驟與我們平時使用VBO或者紋理的過程很像。綁定對像後，我們便可以對FBO進行各種操作了，以下代碼示範如何進行綁定。 glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, fbo); 第一個參數是“目標(target)”，指的是你要把FBO與哪個框架緩衝區進行綁定，目前來說，我個參數就只有一些預定義的選擇(GL_FRAMEBUFFER_EXT)，但將來擴充的發展，可能會來現其它的選擇，讓你把FBO與其它的目標進行綁定。整型變數fbo，是用來儲存FBO對像標識的，這個標識我們已在前面產生了。要實現任何與FBO有關的操作，我們必須有一個FBO被綁定，否則調用就會出錯

加入一個深度緩衝(Depth Buffer) 一個FBO它本身其實沒有多大用處，要想讓它能被更有效利用，我們需要把它與一些可被渲染的緩衝區綁定在一起，這樣的緩衝區可以是紋理，也可以是下面我們將要介紹的渲染緩衝區(renderbuffers)。 一個渲染緩衝區，其實就是一個用來支援離屏渲染的緩衝區。通常是框架緩衝區的一部份，一般不具有紋理格式。常見的模版緩衝和深度緩衝就是這樣一類對像。 在這裡，我們要為我們的FBO指定一個渲染緩衝區。這樣，當我們渲染的時候，我們便把這個渲染緩衝區作為FBO的一個深度緩衝來使用。 和FBO的產生一樣，我們首先也要為渲染緩衝區指定一個有效標識。 GLuint depthbuffer; glGenRenderbuffersEXT(1, &depthbuffer); 成功完成上面一步之後，我們就要對該緩衝區進行綁定，讓它成為當前渲染緩衝，下面是實現代碼。 glBindRenderbufferEXT(GL_RENDERBUFFER_EXT, depthbuffer); 和FBO的綁定函數一樣，第一個參數是“目標(target)”，指的是你要與哪個目標進行綁定，目前來說，只能是一些預定義好的目標。變數dephtbuffer用來儲存對像標識。 這裡有一個關鍵的地方，也就是我們產生的渲染緩衝對像，它本身並不會自動分配記憶體空間。因此我們要調用OpenGL的函數來給它分配指定大小的記憶體空間，在這裡，我們分配一個固定大小的深度緩顯空間。 glRenderbufferStorageEXT(GL_RENDERBUFFER_EXT, GL_DEPTH_COMPONENT, width, height); 上面這一函數成功運行之後，OpenGL將會為我們分配好一個大小為width x height的深度緩衝區。注意的是，這裡用了GL_DEPTH_COMPONENT,就是指我們的空間是用來儲存深度值的，但除了這個之外，渲染緩衝區 還可以用來儲存普通的RGB/RGBA格式的資料或者是模板緩衝的資訊。 准被好了深度緩衝的顯存空間後，接下來要做的工作就是把它與前面我們準備好了的FBO對像綁定在一起。   glFramebufferRenderbufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, GL_DEPTH_ATTACHMENT_EXT, GL_RENDERBUFFER_EXT, depthbuffer); 這個函數看起來有點複雜，但其實它很好理解的。它要做的全部工作就是把把前面我們產生的深度緩衝對像與當前的FBO對像進行綁定，當然我們要注意一個FBO有多個不同綁定點，這裡是要綁定在FBO的深度緩衝綁定點上。

加入用於渲染的紋理 到現在為止，我們還沒有辦法往FBO中寫入顏色資訊。這也是我們接下來正要討論的，我們有以下兩種方法來實現它： 把一個顏色渲染緩衝與FBO綁定。 把一個紋理與FBO綁定。 前者在某些地方會用到，後面的章節我們會深入討論。現在我們先來說說第二種方法。 在你想要把紋理與一個FBO進行綁定之前，我們得先要產生這個紋理。這個產生紋理的過程種我們平時見到的紋理產生沒什麼區別。   GLuint img; glGenTextures(1, &img); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, img); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA8,  width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); 這個執行個體中，我們產生一個普通的RGBA映像，大小是width x height,與前面我們產生的渲染緩衝區的大小是一樣的，這一點很重要，也就是FBO中所有的綁定對像，都必須要有相同的寬度和高度。還有要注意的就是：這裡我們沒有上傳任何的資料，只是讓OpenGL保留分配好的空間，稍後我們將會用到。 產生好紋理之後，接下來的工作就是把這個紋理與FBO綁定在一起，以便我們可以把資料渲染到紋理空間中去。   glFramebufferTexture2DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT, GL_TEXTURE_2D, img, 0); 這裡再次看到這個看起來非常可怕的函數，當然它也並沒有我們想像中那麼難理解。參數GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT是告訴OpenGL把紋理對像綁定到FBO的0號綁定點（一個FBO在同一個時間內可以綁定多個顏色緩衝區，每個對應FBO的一個綁定點），參數GL_TEXTURE_2D是指定紋理的格式，img儲存的是紋理標識，指向一個之前就準備好了的紋理對像。紋理可以是多重新對應的映像，最後一個參數指定級級為0，指的是使用原映像。 最後還有一步要做的工作，就是檢查一下FBO的準備工作是否全部完成，是否以經能被正確使用了。 這個測試工作由下面一個函數來完成，它會返回一個當前綁定的FBO是否正確的狀態資訊。   GLenum status = glCheckFramebufferStatusEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT); 如果所有工作都已經做好，那麼返回的狀態值是GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE_EXT，也就是說你的FBO已經準備好，並可以用來作為渲染對像了。否則就會返回其它一個錯誤碼，通過尋找定義文檔，可以找到相關的錯誤資訊，從而了角錯誤大概是在哪一步驟中產生的。

渲染到紋理 所有困難的工作就是前面建立FBO環境的部份，剩下來的工作就相當簡單了，相關的事情就只是調用一下以下這個函數：glBindFramebufferEXT(). 當我們要把資料渲染並輸出到FBO的時候，我們只需要用這個函數來把一個FBO對像進行綁定。當我們要停止輸出到FBO，我們只要把參數設為0，再重新調用一次該函數就可以了。當然，停止向FBO輸出，這也是很重要的，當我們完成了FBO的工作，就得停止FBO，讓映像可以在螢幕上正確輸出。 glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, fbo); glPushAttrib(GL_VIEWPORT_BIT); glViewport(0,0,width, height); // Render as normal here // output goes to the FBO and it's attached buffers glPopAttrib(); glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, 0); 上面另外三行代碼glPushAttrib/glPopAttrib 及 glViewport，是用來確保在你跳出FBO渲染的時候可以返回原正常的渲染路徑。glViewport在這裡的調用是十分必要的，我們不要常試把資料渲染到一個大於或小於FBO大小的地區。 函數glPushAtrrib 和 glPopAttrib 是用來快速儲存視口資訊。這一步也是必要的，因為FBO會共用主內容相關的所有資訊。任何的變動，都會同時影響到FBO及主上下文，當然也就會直接影響到你的正常螢幕渲染。 這裡一個重要訊息，你可能也注意到了，我們只是在繪製的時候綁定或解除FBO，但是我們沒有重新綁定紋理或渲染緩衝區，這裡因為在FBO中會一直儲存了這種綁定關係，除非你要把它們分開或FBO對像被銷毀了。

使用已渲染出來的紋理 來到這裡，我們已經把螢幕的資料渲染到了一個映像紋理上。現在我們來看一看如何來使用這張已經渲染好了的映像紋理。這個操作的本身其實是很簡單的，我們只要把這張映像紋理當作普通紋理一樣，綁定為當前紋理就可以了。 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, img); 以上這一函數調用完成之後，這張映像紋理就成了一個在繪圖的時候用於被讀取的普通紋理。 根據你在初始化時所指定的不同紋理濾波方式，你也許會希望為該紋理產生多重映像(mipmap)資訊。如果要建立多重映像資訊，多數的人都是在上傳紋理資料的時候，通過調用函數gluBuild2DMipmaps()來實現，當然有些朋友可能會知道如何使用自動產生多重映像的擴充，但是在FBO擴充中，我們增加了第三種產生映像的方法，也就是使用GenerateMipmapEXT()函數。 這個函數的作用就是讓OpenGL幫你自動建立多重映像資訊。中間實現的過程，根據不同的顯卡會有所不同，我們只關心它們最終的結果是一樣就行了。值得注意的是：對於這種通過FBO渲染出來的紋理，要實現多重映像的話，只有這一種方法是正確的，這裡你不可以使用自動產生函數來產生多重映像，這其中的原因有很多，如果你想深入瞭解的話，可以查看一下技術文檔。 使用這一函數使方便，你所要做的就是先把該紋理對像綁定為當前紋理，然後調用一次該函數就可以了。 glGenerateMipmapEXT(GL_TEXTURE_2D); OpenGL將會自動為我們產生所需要的全部資訊，到現在我們的紋理便可以正常使用了。 一個重點要注意的地方：如果你打算使用多重映像(如 GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR)，該函數glGenerateMipmapEXT()必須要在執行渲染到紋理之前調用。 在建立紋理的時候，我們可以按以下代碼來做。 glGenTextures(1, &img);glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, img);glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA8, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR);glGenerateMipmapEXT(GL_TEXTURE_2D); 到現在，這張紋理和普通紋理沒什麼區別，我們就按處理普通紋理的方法來使用就可以了。

清理 最後，當你完成了所有的FBO操作之後，請別忘了要清理或刪除掉那些不要了的FBO對像，和清理紋理對像相似，這一步只要以下一個函數就可以完成： glDeleteFramebuffersEXT(1, &fbo); 同樣的，你如果分配了渲染緩衝對像，也別忘了要把它清理掉。本執行個體中我們分配的是深度緩衝渲染對像，我們用以下函數來清除它： glDeleteRenderbuffersEXT(1, &depthbuffer);   到這裡，所有的FBO對像及渲染緩衝都被釋放掉了，我們的清理工作也就完成了。 最後的思考 這一篇文章只是對FBO擴充的一個初步介紹，希望對你有所協助，更多詳細的知識，可以查看一下FBO spec ,或者看一下《More OpenGL Game Programming》這本書中關於擴充部分的章節。 問題的返潰及相關技術的討論，可以登陸物理開發網的GPGPU/CUDA論壇進行交流。 在文檔結束之前，我要說一下在使用FBO來寫程式的過程中，一些值得我們去注意的地方：  就目前來說，你沒辦法得到模版緩衝的綁定點。雖然在技術上是定義了這麼一種深度模版的紋理格式，目的是讓我們可以渲染到模版，但這一技術到目前為止還缺乏硬體的支援。 不要頻繁地建立及銷毀FBO對像。好的做法應該是在程式建立的同時產生FBO對像，然後在我們需要用到的地方使用它。  一個紋理，如果被定義為用於做渲染紋理，那麼我們就要盡量避免使用glTexImage之類的函數來修改該紋理的資料，這樣做多數情況下會讓你的程式出現問題。 本文樣本程式中要注意的地方 對應這篇文章所討論的內容，我們寫了一個相應的程式，其功能就是給FBO加入一個深度緩衝對像及一個紋理對像。我們發現，在ATI的顯卡中有一個bug，也就是當我們給同時FBO加入一個深度緩衝及一個紋理的時候，就會出現嚴重的衝突。從這裡也告訴我們，當我們在寫好一個FBO相關的程式的時候，一定要在不同的硬體及不同的驅動下進行廣泛的測試，直到沒有任何渲染問題為止。 I'd also like to put out a big thanks to Rick Appleton for helping me test out and debug the code on NVIDA hardware, couldn't have done it without you mate 本程式需要有GLUT函數庫的支援才能正確運行，我使用的是FreeGLUT. 程式下載 本譯文可以自由轉載，要求保留原作者資訊並註明文章出自物理開發網：www.physdev.com 參考 GPU深度發掘 More OpenGL Game Programming Framebuffer Object Spec GDC 2005 Framebuffer Object pdf