GPU-FBO-3

 

介绍

在上一篇文章OpenGL FrameBuffer object 101中，我们大概讲述了FBO的一些基础应用，文章中主要介绍了如何生成一个FBO，如何把数据渲染到一个单一的纹理上，以及把这个纹理在别的地方做一 些应用。然而FBO扩展并不紧紧只能做到这些。在上一篇文章中我们主要讲述了FBO的一个综合特征:绑定点(attachment point)。

在本篇文章中，我们将会进一步来讲述FBO的一些深层次概念及应用。首先，我们来看一下如何在一个FBO对像中，通来循环多次渲染，实现 把数据渲染到多个纹理上。讲完这个之后，我们再来看一下如何通过使用OpenGL高级着色语言(GLSL)，实现在同一时间渲染输出到多个纹理上，当然， 这里还需要用到绘图缓冲扩展(Draw Buffers extension)。

一个FBO与多个纹理

在上一篇文章中，我们讲述了如何把一个纹理绑定到一个FBO中，用来作为一个颜色渲染对像(colour render target)。我们主要用到了下面这个函数。

glFramebufferTexture2DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT, GL_TEXTURE_2D, img, 0);

或许你还记得，在这个函数中，我们通过img这个保存有纹理标志的变最来把对应的纹理绑定到当前所启用的FBO中去。在篇文章中，我们来着重关注一下第二个参数：GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT。

这个参数就是告诉OpenGL，把纹理绑定到FBO的0号颜色绑定点中去。然而，一个FBO对像会有多个颜色绑定点可以供我们使用。当前，规格说明书上说允许有16个绑定点(GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT 到 GL_COLOR_ATTACHMENT15_EXT) ，每一个绑定点都可以与一个单独的纹理进行绑定。当然这个绑定点的个数会受到硬件及其驱动的限制，我们可以用以下的函数来查询绑定点个数的最大值：

GLuint maxbuffers;
glGetIntergeri(GL_MAX_COLOR_ATTACHMENTS, &maxbuffers);

在这里，变量maxbuffers保存了颜色绑定点的最大值，在写本文章的时候，当前显卡硬件返回来的这个最大值一般是4。

所以，如果我们想把纹理标识量img与第二个颜色绑定点进行绑定的话，上面对应的函数就得做以下相应的修改：

glFramebufferTexture2DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT, GL_TEXTURE_2D, img, 0);

正如你所看到的，想要增加一个绑定纹理，那是相当容易的事情。但是我们又该如何让OpenGL分别把数据渲染到这些纹理上呢？

选择输出目标

OK，我们现在回头来看一下这个特别的函数:glDrawBuffer()，一般我们在OpenGL开始的时候就会用到它。

这个函数，以及与它密切相关的一个函数glReadBuffer()，就是用来告诉OpenGL它应该往哪里写入数据以及应该从哪里读取数 据。在默认的情况下，如果是单缓冲环境，两者都是对前缓冲(GL_FRONT)进行读写，而双缓冲环境则是对后缓冲(GLBACK)进行读写。但是在 FBO扩展出来之后，这个函数的功能就被修改了，它允许你选择GL_COLOR_ATTACHMENTx_EXT来作为渲染输出或读取的目标（这里'x' 指的就是FBO绑定点数字）。

当你绑定启用一个FBO对像的时候，系统会自动把当前颜色输出目标指向GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT，也就是0号绑定点所绑定的纹理。因此，如果你就是想把数据输出到这个默认的颜色绑定点的话，你不需要作任何额外的改动。但是当我们要想输出到别的缓冲区的时候，我们就得亲自告诉OpenGL我们所要的选择。

因此，如果我们想要渲染到GL_COLOR_ATTACHMANT1_EXT，那么我们就必须先启用一个FBO，并正确地指定一个写入缓冲的绑定点。假设我们已经为FBO的1号颜色绑定点绑定好了一个纹理对像，下面就是实现代码：

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，这里用到了glPushAttrib()函数，它主要是用来保存视口及颜色缓冲的一些属性，因为在FBO运算过程中我们要对这些属性 进行修改。在FBO运算完成之后，我们可以使用glPopAttrib()函数来还原之前的设置。这样做主要是因为在FBO运算过程中的一些属性的改变会 直接影响到主渲染程序，通过属性还原，能让主程序渲染还原到正常状态。

当我们把多个纹理绑定到一个FBO对像的时候，有一个非常重要的地方，那就是所有这些纹理都要有同样大小的尺寸及颜色深度。所以，我们不 能把一个512*512 32bit的纹理与一个256*256 16bit的纹理绑定到同一个FBO对像中去。因而，如果你能够接受这一小小的限制的话，便可以实现用一个FBO渲染输出到多个纹理上，这比起在多个 FBO对像中进行切换，速度会快很多。当然，多FBO对像切换也不算是什么极度缓慢的操作，但是尽量避免不必要的开销，通常都是一种比较好的编程习惯。

第一个例子

在第一个示例程序中，演示了如何渲染到2个纹理上，当然这里一个接一个地渲染输出，然后把这些纹理应用到另一个立方体上。代码是基于上一篇文章所写的例子，只是作了一些细小的变动而已。

首先，在初始化函数中，我们是启动FBO的是候把第二个纹理也绑定到FBO对像中去。注意如何有别于与第一个纹理的绑定，这里使用GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT作为绑定点。

对于场景的渲染输出基本上都是相同的，只不过这里我们一共进行了两次绘图，第一次用立方体原来的颜色进行绘图，而第二次绘图的时候把颜色的亮度调为原来的一半。

你或许已经注意到了，在示例程序中，当我们渲染输出到FBO的时候，我们要明确地告诉OpenGL，先是渲染到 GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT,然后是GL_COLOR_ATTACHMAENT1_EXT。这是因为FBO会记住上一次你让它渲染 输出的缓冲区。因此，在绘图函数中当我们第二次绘图的时候，第一个绑定的纹理作为目标输出是不会自动更新的，直到我们调用glDrawBuffer()函 数。想要看一下这一函数所影响的效果的话，可以注释掉第103行，这行就是一个glDrawBuffer()函数的调用，你将会看到这时立方左手边的纹理 再也不会出现变化。

多个渲染目标(Multiple Render Targets)

现在我们知道如何把多个纹理绑定到一个FBO中去，然而我们仍然是一次只绘制一张纹理，然后通过切换绘图目标实现对多个纹理的写入，有没有更有用更高效的方法呢？在本文章开头曾提及过，我们要介绍如何实现在同一时间里渲染输出到多个纹理上。

其实，一旦你明白如何绑定多个纹理，剩下要做就非常简单了。你现在还需要用到的技术包括有绘图缓冲扩展(Draw buffers extension)和OpenGL着色语言(GLSL)，而这两者现在都成了OpenGL2.0内核的组成部份。

绘图缓冲扩展（ Draw Buffers Extension）

现在介绍第一个扩展：绘图缓冲区的建立。建立绘图缓冲，我们使用一个系统提供的函数glDrawBuffer()，你也许还记得起这个函数，在前面 我们说过，它可以用来指定当前渲染输出的颜色缓冲区。但是在绘图缓冲扩展中，这个函数的功能也同时得到了扩展，它可以用来指定多个同时写入的颜色缓冲区。 一次可以同时写入的缓冲的个数，可以用以下函数来查询：

GLuint maxbuffers;
glGetIntergeri(GL_MAX_DRAW_BUFFERS, &maxbuffers);

函数正确执行之后，变量maxBuffers保存了我们一次可以同渲染的缓冲区的个数，在我写这个文档的时候，这个数字一般是4，但是最新显卡GeForce8x00系列允许我们一次同时输出到8个缓冲区。

因而，如果我们已经把两个纹理分别绑定到绑定点0和1，现在我们想同时渲染输出到这两个纹理上，我们就可以按以下代码来写：

GLenum buffers[] = { GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT };
glDrawBuffers(2, buffers);

当上面的函数正确运行之后，OpenGL 便建立了一个双颜色缓冲渲染输出的环境。

使用 FBO 和 GLSL 实现MRT

现在，如果我们使用标准的固定功能管线来进行渲染，两个纹理会得到同样的数据。然而，如果使用GLSL来重写片段着色代码，我们就可以做到把不同的数据发送到这两个纹理上。

通常来说，当你写一个GLSL的片段着色程序的时候，你会把颜色值输出到gl_FragColor中去，正常情况下，这个颜色值便会被写入到帧缓冲区中去。然而，在这里，我们还有第二种颜色信息输出的方法，那就是使用gl_FragData[]数组。

这个特别的变量允许我们直接指定数据往哪里走。数据输出会对应哪一个纹理呢？这就与函数glDrawBuffers()中给定的参数的对应顺序有关。如上面这种情况，缓冲区的对应关系就如下图所示：

glDrawBuffers value FragData syntax GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT gl_FragData[0] GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT gl_FragData[1]

上面函数调用的时候，如果参数顺序发生了改变，那么对应的映射关系也会发生改变，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]

假如说我们想把绿色输出到其中一个目标而蓝色输出到另一个，GLSL的代码就可以这样写，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);
}

第一行是说我们驱动至少支持GLSL 1.10以上（OGL2.0）。函数主体的功能就只是把绿色写入到第一个缓冲区，蓝色定入到第二个。

译注：CG代码如下：

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);
}

 

第二个例子

第二个例子是第一个例子与上一篇文章的例子的结合。它实现了第一个例子同样的输出，但是这里我们只把立方体绘制了一次。我们通过使用一个着色程序来实现控制输出。

程序和之前的差不多，主要的区别在于初始化代码。我们把GLSL代码导入放在一边不谈，因为这个不是本文章讨论的范围。而能让多目标渲染正常工作主要代码就是以下两行：

GLenum mrt[] = { GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT1_EXT }
glDrawBuffers(2, mrt);

这两行就是告诉OpenGL，我们希望渲染到两个缓冲区及我们希望渲染到哪两个缓冲区。要记住FBO是有记忆功能的，也就是它会记上一次渲染所使用过的输出目标。通过上面两行代码，我们可以改变FBO渲染输出的目标，让它可以正确地实现同时渲染到多个纹理。

绘图循环函数看起来来前面的十分相似，渲染到FBO还是用到了同样的代码。有所变动的，就是关于绑定并调用GLSL程序的那一部份。 GLSL主要就是用来控制颜色的多路输出。后面的代码就基本上和本文第一个例子没什么区别，只是第一个例子中把立方体画了两次，而这里只要画一次就可以 了。

关于程序中的两个GLSL着色程序，在这里稍为提及一下，大体上看一下它们是如何让MRT正常工作的。

顶点着色程序，就是对于你发送到显卡上的每一个顶点都会运行一遍的一段代码。本程序中只是简单地把每个顶点的颜色值通过glColor()传递级片段着色程序，并对每个顶点进行了一些必要的矩阵变换，使得我们能在正确的位置绘制一个正方体。

片段着色程序的代码如下：

#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);
}

这里关键的地方就是两个gl_FragData，它们用来明确它定我们到底要要把数据写入到哪个缓冲区中去。本实例中gl_FragData[0] 指的是第一个纹理，它保存了一份没有被修改过的颜色值，也就是从顶点着颜中传递过来的原始颜色。而对于gl_FragData[1]，它对应的是第二个纹 理，同样是用来保存从顶点着色中传递过来的颜色，但颜色的亮度就被改成了原来的一半。从结果上看，它的效果和第一个程序是一样的。

最后的思考

本文章主要通过两个例子是快速地介绍了FBO扩展两种不同的应用。

第一个例子中，允许你使用同一个FBO实现渲染输出到多个纹理中去，从而让我们可以不须要在多个FBO中频繁切换，本例子中所演示的技术是 非常有用的，因为当对于在不同的FBO进行切换来说，在同一个FBO中切换不同的渲染目标它的速度要快得多。因此如果你能把你的纹理作一些分组，尽量让多 个纹理在同一时间内被渲染，这样会为你节省大量的时间。

第二个例子是让你体会一下这种叫做多渲染目标(Multiple Render Targets)的技术。虽然本文中的关于本技术所举的例子没有很大的实用价值，但是MRT技术是其它许多GPU高级技术的基础，如render-to- vertex buffer及post-processing等，因此这种可以输出到多个颜色缓冲的能力是非常有用的，值得我们大家去深入学习和研究一下。

更多细节，可以查看一下Framebuffer Object 及Draw Buffers 等的规范说明书。在More OpenGL Game Programming 也是一片我写的文章，其中有一个关于FBO和GLSL的章节。对相关的技术也略为讨论了一下。

例子中一些要注意的地方

本文中的例子，在编译和运行过程中都要用到GLUT(我使用的是FreeGLUT )。

声明

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Source code

参考

More OpenGL Game Programming
Framebuffer Object Spec
GDC 2005 Framebuffer Object pdf   

See Also:
OpenGL
Programming