GPU深度發掘(三)::OpenGL Frame Buffer Object 201

GPU深度發掘(三)::OpenGL Frame Buffer Object 201  作者： Rob 'phantom' Jones  譯者：華文廣 更新：2007/6/15 介紹 在上一篇文章OpenGL FrameBuffer object 101中，我樣大概講述了FBO的一些基礎應用，文章中主要介紹了如何產生一個FBO，如何把資料渲染到一個單一的紋理上，以及把這個紋理在別的地方做一些應用。然而FBO擴充並不緊緊只能做到這些。在上一篇文章中我們主要講述了FBO的一個綜合特徵:綁定點(attachment point)。 在本篇文章中，我們將會進一步來講述FBO的一些深層次概念及應用。首先，我們來看一下如何在一個FBO對像中，通來迴圈多次渲染，實現把資料渲染到多個紋理上。講完這個之後，我們再來看一下如何通過使用OpenGL進階著色語言(GLSL)，實現在同一時間渲染輸出到多個紋理上，當然，這裡還需要用到繪圖緩衝擴充(Draw Buffers extension)。 一個FBO與多個紋理 在上一篇文章中，我們講述了如何把一個紋理綁定到一個FBO中，用來作為一個顏色渲染對像(colour render target)。我們主要用到了下面這個函數。   glFramebufferTexture2DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT, GL_TEXTURE_2D, img, 0);   或許你還記得，在這個函數中，我們通過img這個儲存有紋理標誌的變最來把對應的紋理綁定到當前所啟用的FBO中去。在篇文章中，我們來著重關注一下第二個參數：GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT。 這個參數就是告訴OpenGL，把紋理綁定到FBO的0號顏色綁定點中去。然而，一個FBO對像會有多個顏色綁定點可以供我們使用。當前，規格說明書上說允許有16個綁定點(GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT 到 GL_COLOR_ATTACHMENT15_EXT) ，每一個綁定點都可以與一個單獨的紋理進行綁定。當然這個綁定點的個數會受到硬體及其驅動的限制，我們可以用以下的函數來查詢繫結點個數的最大值： GLuint maxbuffers; glGetIntergeri(GL_MAX_COLOR_ATTACHMENTS, &maxbuffers); 在這裡，變數maxbuffers儲存了顏色綁定點的最大值，在寫本文章的時候，當前顯卡硬體返回來的這個最大值一般是4。 所以，如果我們想把紋理標識量img與第二個顏色綁定點進行綁定的話，上面對應的函數就得做以下相應的修改： glFramebufferTexture2DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT, GL_TEXTURE_2D, img, 0); 正如你所看到的，想要增加一個綁定紋理，那是相當容易的事情。但是我們又該如何讓OpenGL分別把資料渲染到這些紋理上呢？ 選擇輸出目標 OK，我們現在回頭來看一下這個特別的函數:glDrawBuffer()，一般我們在OpenGL開始的時候就會用到它。 這個函數，以及與它密切相關的一個函數glReadBuffer()，就是用來告訴OpenGL它應該往哪裡寫入資料以及應該從哪裡讀取資料。在預設的情況下，如果是單緩衝環境，兩者都是對前緩衝(GL_FRONT)進行讀寫，而雙緩衝環境則是對後緩衝(GLBACK)進行讀寫。但是在FBO擴充出來之後，這個函數的功能就被修改了，它允許你選擇GL_COLOR_ATTACHMENTx_EXT來作為渲染輸出或讀取的目標（這裡'x'指的就是FBO綁定點數字）。 當你綁定啟用一個FBO對像的時候，系統會自動把使用中色彩輸出目標指向GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT，也就是0號綁定點所綁定的紋理。因此，如果你就是想把資料輸出到這個預設的顏色綁定點的話，你不需要作任何額外的改動。但是當我們要想輸出到別的緩衝區的時候，我們就得親自告訴OpenGL我們所要的選擇。 因此，如果我們想要渲染到GL_COLOR_ATTACHMANT1_EXT，那麼我們就必須先啟用一個FBO，並正確地指定一個寫入緩衝的綁定點。假設我們已經為FBO的1號顏色綁定點綁定好了一個紋理對像，下面就是實現代碼： glBindFrameBuffer(GL_FRAMEBUFFER_EXT, fbo); glPushAttrib(GL_VIEWPORT_BIT | GL_COLOR_BUFFER_BIT); glViewport(0,0,width, height); // Set the render target glDrawBuffer(GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT); // Render as normal here // output goes to the FBO and it抯 attached buffers glPopAttrib(); glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, 0); 值得注意的是，這裡用到了glPushAttrib()函數，它主要是用來儲存視口及顏色緩衝的一些屬性，因為在FBO運算過程中我們要對這些屬性進行修改。在FBO運算完成之後，我們可以使用glPopAttrib()函數來還原之前的設定。這樣做主要是因為在FBO運算過程中的一些屬性的改變會直接影響到主渲染程式，通過屬性還原，能讓主程式渲染還原到正常狀態。 當我們把多個紋理綁定到一個FBO對像的時候，有一個非常重要的地方，那就是所有這些紋理都要有同樣大小的尺寸及色彩深度。所以，我們不能把一個512*512 32bit的紋理與一個256*256 16bit的紋理綁定到同一個FBO對像中去。因而，如果你能夠接受這一小小的限制的話，便可以實現用一個FBO渲染輸出到多個紋理上，這比起在多個FBO對像中進行切換，速度會快很多。當然，多FBO對像切換也不算是什麼極度緩慢的操作，但是盡量避免不必要的開銷，通常都是一種比較好的編程習慣。 第一個例子 在第一個樣本程式中，示範了如何渲染到2個紋理上，當然這裡一個接一個地渲染輸出，然後把這些紋理應用到另一個立方體上。代碼是基於上一篇文章所寫的例子，只是作了一些細小的變動而已。 首先，在初始化函數中，我們是啟動FBO的是候把第二個紋理也綁定到FBO對像中去。注意如何有別於與第一個紋理的綁定，這裡使用GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT作為綁定點。 對於情境的渲染輸出基本上都是相同的，只不過這裡我們一共進行了兩次繪圖，第一次用立方體原來的顏色進行繪圖，而第二次繪圖的時候把顏色的亮度調為原來的一半。 你或許已經注意到了，在樣本程式中，當我們渲染輸出到FBO的時候，我們要明確地告訴OpenGL，先是渲染到GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT,然後是GL_COLOR_ATTACHMAENT1_EXT。這是因為FBO會記住上一次你讓它渲染輸出的緩衝區。因此，在繪圖函數中當我們第二次繪圖的時候，第一個綁定的紋理作為目標輸出是不會自動更新的，直到我們調用glDrawBuffer()函數。想要看一下這一函數所影響的效果的話，可以注釋掉第103行，這行就是一個glDrawBuffer()函數的調用，你將會看到這時立方左手邊的紋理再也不會出現變化。 多個渲染目標(Multiple Render Targets) 現在我們知道如何把多個紋理綁定到一個FBO中去，然而我們仍然是一次只繪製一張紋理，然後通過切換繪圖目標實現對多個紋理的寫入，有沒有更有用更高效的方法呢？在本文章開頭曾提及過，我們要介紹如何?在同一時間裡渲染輸出到多個紋理上。 其實，一旦你明白如何綁定多個紋理，剩下要做就非常簡單了。你現在還需要用到的技術包括有繪圖緩衝擴充(Draw buffers extension)和OpenGL著色語言(GLSL)，而這兩者現在都成了OpenGL2.0核心的組成部份。 繪圖緩衝擴充（ Draw Buffers Extension） 現在介紹第一個擴充：繪圖緩衝區的建立。建立繪圖緩衝，我們使用一個系統提供的函數glDrawBuffer()，你也許還記得起這個函數，在前面我們說過，它可以用來指定當前渲染輸出的顏色緩衝區。但是在繪圖緩衝擴充中，這個函數的功能也同時得到了擴充，它可以用來指定多個同時寫入的顏色緩衝區。一次可以同時寫入的緩衝的個數，可以用以下函數來查詢： GLuint maxbuffers; glGetIntergeri(GL_MAX_DRAW_BUFFERS, &maxbuffers); 函數正確執行之後，變數maxBuffers儲存了我們一次可以同渲染的緩衝區的個數，在我寫這個文檔的時候，這個數字一般是4，但是最新顯卡GeForce8x00系列允許我們一次同時輸出到8個緩衝區。 因而，如果我們已經把兩個紋理分別綁定到綁定點0和1，現在我們想同時渲染輸出到這兩個紋理上，我們就可以按以下代碼來寫： GLenum buffers[] = ...{ GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT }; glDrawBuffers(2, buffers); 當上面的函數正確運行之後，OpenGL 便建立了一個雙顏色緩衝渲染輸出的環境。 使用 FBO 和 GLSL 實現MRT 現在，如果我們使用標準的固定功能管線來進行渲染，兩個紋理會得到同樣的資料。然而，如果使用GLSL來重寫片段著色代碼，我們就可以做到把不同的資料發送到這兩個紋理上。 通常來說，當你寫一個GLSL的片段著色程式的時候，你會把顏色值輸出到gl_FragColor中去，正常情況下，這個顏色值便會被寫入到框架緩衝區中去。然而，在這裡，我們還有第二種顏色資訊輸出的方法，那就是使用gl_FragData[]數組。 這個特別的變數允許我們直接指定資料往哪裡走。資料輸出會對應哪一個紋理呢？這就與函數glDrawBuffers()中給定的參數的對應順序有關。如上面這種情況，緩衝區的對應關係就如所示： glDrawBuffers value FragData syntax GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT gl_FragData[0] GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT gl_FragData[1] 上面函數調用的時候，如果參數順序發生了改變，那麼對應的映射關係也會發生改變，如下所示： GLenum buffers[] = ...{ GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT }; glDrawBuffers(2, buffers); glDrawBuffers value FragData syntax GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT gl_FragData[0] GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT gl_FragData[1] 假如說我們想把綠色輸出到其中一個目標而藍色輸出到另一個，GLSL的代碼就可以這樣寫，如下： #version 110 void main() ...{     gl_FragData[0] = vec4(0.0, 1.0, 0.0);     gl_FragData[1] = vec4(0.0, 0.0, 1.0); } 第一行是說我們驅動至少支援GLSL 1.10以上（OGL2.0）。函數主體的功能就只是把綠色寫入到第一個緩衝區，藍色定入到第二個。   譯註：CG代碼如下： void main(out float4 col0:COLOR0,out float4 col0:COLOR1) ...{         col0 = float4(0.0,1.0,0.0,1.0);         col1 = float4(0.0,0.0,1.0,1.0); }   第二個例子 第二個例子是第一個例子與上一篇文章的例子的結合。它實現了第一個例子同樣的輸出，但是這裡我們只把立方體繪製了一次。我們通過使用一個著色程式來實現控制輸出。 程式和之前的差不多，主要的區別在於初始化代碼。我們把GLSL代碼匯入放在一邊不談，因為這個不是本文章討論的範圍。而能讓多目標渲染正常工作主要代碼就是以下兩行： GLenum mrt[] = ...{ GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT } glDrawBuffers(2, mrt); 這兩行就是告訴OpenGL，我們希望渲染到兩個緩衝區及我們希望渲染到哪兩個緩衝區。要記住FBO是有記憶功能的，也就是它會記上一次渲染所使用過的輸出目標。通過上面兩行代碼，我們可以改變FBO渲染輸出的目標，讓它可以正確地實現同時渲染到多個紋理。 繪圖迴圈函數看起來來前面的十分相似，渲染到FBO還是用到了同樣的代碼。有所變動的，就是關於綁定並調用GLSL程式的那一部份。GLSL主要就是用來控制顏色的多路輸出。後面的代碼就基本上和本文第一個例子沒什麼區別，只是第一個例子中把立方體畫了兩次，而這裡只要畫一次就可以了。 關於程式中的兩個GLSL著色程式，在這裡稍為提及一下，大體上看一下它們是如何讓MRT正常工作的。 頂點著色程式，就是對於你發送到顯卡上的每一個頂點都會運行一遍的一段代碼。本程式中只是簡單地把每個頂點的顏色值通過glColor()傳遞級片段著色程式，並對每個頂點進行了一些必要的矩陣變換，使得我們能在正確的位置繪製一個正方體。 片段著色程式的代碼如下： #version 110 void main(void) ...{     gl_FragData[0] = vec4(gl_Color.r, gl_Color.g,gl_Color.b,1.0);     gl_FragData[1] = vec4(gl_Color.r/2.0, gl_Color.g/2.0,gl_Color.b/2.0,1.0); } 這裡關鍵的地方就是兩個gl_FragData，它們用來明確它定我們到底要要把資料寫入到哪個緩衝區中去。本執行個體中gl_FragData[0]指的是第一個紋理，它儲存了一份沒有被修改過的顏色值，也就是從頂點著顏中傳遞過來的原始顏色。而對於gl_FragData[1]，它對應的是第二個紋理，同樣是用來儲存從頂點著色中傳遞過來的顏色，但顏色的亮度就被改成了原來的一半。從結果上看，它的效果和第一個程式是一樣的。 最後的思考 本文章主要通過兩個例子是快速地介紹了FBO擴充兩種不同的應用。 第一個例子中，允許你使用同一個FBO實現渲染輸出到多個紋理中去，從而讓我們可以不須要在多個FBO中頻繁切換，本例子中所示範的技術是非常有用的，因為當對於在不同的FBO進行切換來說，在同一個FBO中切換不同的渲染目標它的速度要快得多。因此如果你能把你的紋理作一些分組，盡量讓多個紋理在同一時間內被渲染，這樣會為你節省大量的時間。 第二個例子是讓你體會一下這種叫做多渲染目標(Multiple Render Targets)的技術。雖然本文中的關於本技術所舉的例子沒有很大的實用價值，但是MRT技術是其它許多GPU進階技術的基礎，如render-to-vertex buffer及post-processing等，因此這種可以輸出到多個顏色緩衝的能力是非常有用的，值得我們大家去深入學習和研究一下。 更多細節，可以查看一下Framebuffer Object 及Draw Buffers 等的規範說明書。在More OpenGL Game Programming 也是一片我寫的文章，其中有一個關於FBO和GLSL的章節。對相關的技術也略為討論了一下。 例子中一些要注意的地方 本文中的例子，在編譯和運行過程中都要用到GLUT(我使用的是FreeGLUT )。 聲明 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 更多GPU深度發掘文章，請關注物理開發網   參考 More OpenGL Game Programming Framebuffer Object Spec GDC 2005 Framebuffer Object pdf See Also: OpenGL Programming