第十四课：渲染到纹理

“渲染到纹理”是一系列特效方法之一。基本思想是：像通常那样渲染一个场景——只是这次是渲染到可以重用的纹理中。

应用包括：游戏（in-game）相机、后期处理（post-processing）以及你能想象到一切.

渲染到纹理

我们有三个任务：创建要渲染的纹理对象；将纹理渲染到对象上；使用生成的纹理。

创建渲染目标（Render Target）

我们要渲染的对象叫做帧缓存。它像一个容器，用来存纹理和一个可选的深度缓冲区(depth buffer)。在OpenGL中我们可以像创建其他对象一样创建它:

  1. // The framebuffer, which regroups 0, 1, or more textures, and 0 or 1 depth buffer.
  2. GLuint FramebufferName = 0;
  3. glGenFramebuffers(1, &FramebufferName);
  4. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, FramebufferName);

现在需要创建纹理，纹理中包含着色器的RGB输出。这段代码非常的经典：

  1. // The texture we're going to render to
  2. GLuint renderedTexture;
  3. glGenTextures(1, &renderedTexture);
  5. // "Bind" the newly created texture : all future texture functions will modify this texture
  6. glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, renderedTexture);
  8. // Give an empty image to OpenGL ( the last "0" )
  9. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0,GL_RGB, 1024, 768, 0,GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);
  11. // Poor filtering. Needed !
  12. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
  13. glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

同时还需要一个深度缓冲区（depth buffer）。这是可选的，取决于纹理中实际需要画的东西；由于我们渲染的是小猴Suzanne，所以需要深度测试。

  1. // The depth buffer
  2. GLuint depthrenderbuffer;
  3. glGenRenderbuffers(1, &depthrenderbuffer);
  4. glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, depthrenderbuffer);
  5. glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH_COMPONENT, 1024, 768);
  6. glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, depthrenderbuffer);

最后，配置frameBuffer。

  1. // Set "renderedTexture" as our colour attachement #0
  2. glFramebufferTexture(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, renderedTexture, 0);
  4. // Set the list of draw buffers.
  5. GLenum DrawBuffers[2] = {GL_COLOR_ATTACHMENT0};
  6. glDrawBuffers(1, DrawBuffers); // "1" is the size of DrawBuffers

这个过程中可能出现一些错误，取决于GPU的性能；下面是检查的方法：

  1. // Always check that our framebuffer is ok
  2. if(glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER) != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE)
  3.     return false;

渲染到纹理

渲染到纹理很直观。简单地绑定帧缓存，然后像往常一样画场景。轻松搞定！

  1. // Render to our framebuffer
  2. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, FramebufferName);
  3. glViewport(0,0,1024,768); // Render on the whole framebuffer, complete from the lower left corner to the upper right

fragment shader只需稍作调整：

  1. layout(location = 0) out vec3 color;

这意味着每当修改变量“color”时，实际修改了0号渲染目标；这是因为之前调用了`glFramebufferTexture(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, renderedTexture, 0);

注意：最后一个参数表示mipmap的级别，这个0和GL_COLOR_ATTACHMENT0没有任何关系。

使用渲染出的纹理

我们将画一个简单的铺满屏幕的四边形。需要buffer、shader、ID……

  1. // The fullscreen quad's FBO
  2. GLuint quad_VertexArrayID;
  3. glGenVertexArrays(1, &quad_VertexArrayID);
  4. glBindVertexArray(quad_VertexArrayID);
  6. static const GLfloat g_quad_vertex_buffer_data[] = {
  7.     -1.0f, -1.0f, 0.0f,
  8.     1.0f, -1.0f, 0.0f,
  9.     -1.0f,  1.0f, 0.0f,
  10.     -1.0f,  1.0f, 0.0f,
  11.     1.0f, -1.0f, 0.0f,
  12.     1.0f,  1.0f, 0.0f,
  13. };
  15. GLuint quad_vertexbuffer;
  16. glGenBuffers(1, &quad_vertexbuffer);
  17. glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, quad_vertexbuffer);
  18. glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(g_quad_vertex_buffer_data), g_quad_vertex_buffer_data, GL_STATIC_DRAW);
  20. // Create and compile our GLSL program from the shaders
  21. GLuint quad_programID = LoadShaders( "Passthrough.vertexshader", "SimpleTexture.fragmentshader" );
  22. GLuint texID = glGetUniformLocation(quad_programID, "renderedTexture");
  23. GLuint timeID = glGetUniformLocation(quad_programID, "time");

现在想渲染到屏幕上的话，必须把glBindFramebuffer的第二个参数设为0。

  1. // Render to the screen
  2. glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
  3. glViewport(0,0,1024,768); // Render on the whole framebuffer, complete from the lower left corner to the upper right

我们用下面这个shader来画全屏的四边形：

  1. #version 330 core
  3. in vec2 UV;
  5. out vec3 color;
  7. uniform sampler2D renderedTexture;
  8. uniform float time;
  10. void main(){
  11.     color = texture( renderedTexture, UV + 0.005*vec2( sin(time+1024.0*UV.x),cos(time+768.0*UV.y)) ).xyz;
  12. }

这段代码只是简单地采样纹理，加上一个随时间变化的微小偏移。

结果

wavvy-1024x793

进一步探索

使用深度

在一些情况下，使用已渲染的纹理可能需要深度。本例中，像下面这样，简单地渲染到纹理中：

  1. glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0,GL_DEPTH_COMPONENT24, 1024, 768, 0,GL_DEPTH_COMPONENT, GL_FLOAT, 0);

(“24”是精度。你可以按需从16,24,32中选。通常24刚好)

上面这些已经足够您起步了。课程源码中有完整的实现。

运行可能有点慢，因为驱动无法使用Hi-Z这类优化。

下图的深度层次已经经过手动“优化”。通常，深度纹理不会这么清晰。深度纹理中，近 = Z接近0 = 颜色深； 远 = Z接近1 = 颜色浅。

wavvydepth-1024x793

多重采样

能够用多重采样纹理来替代基础纹理：只需要在C++代码中将glTexImage2D替换为glTexImage2DMultisample，在fragment shader中将sampler2D/texture替换为sampler2DMS/texelFetch。

但要注意：texelFetch多出了一个参数，表示采样的数量。换句话说，就是没有自动“滤波”（在多重采样中，正确的术语是“分辨率（resolution）”）功能。

所以需要你自己解决多重采样的纹理，另外，非多重采样纹理，是多亏另一个着色器。

没有什么难点，只是体积庞大。

多重渲染目标

你可能需要同时写多个纹理。

简单地创建若干纹理（都要有正确、一致的大小！），调用glFramebufferTexture，为每一个纹理设置一个不同的color attachement，用更新的参数（如(2,{GL_COLOR_ATTACHMENT0,GL_COLOR_ATTACHMENT1,GL_DEPTH_ATTACHMENT})一样）调用glDrawBuffers，然后在片断着色器中多添加一个输出变量：

  1. layout(location = 1) out vec3 normal_tangentspace; // or whatever

提示1：如果真需要在纹理中输出向量，浮点纹理也是有的，可以用16或32位精度代替8位……看看glTexImage2D的参考手册（搜GL_FLOAT）。
提示2：对于以前版本的OpenGL，请使用glFragData[1] = myvalue。

练习

  • 试使用glViewport(0,0,512,768)代替glViewport(0,0,1024,768)；（帧缓存、屏幕两种情况都试试）
  • 在最后一个fragment shader中尝试一下用其他UV坐标
  • 试用一个真正的变换矩阵变换四边形。首先用硬编码方式。然后尝试使用controls.hpp里面的函数，观察到了什么现象？

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