http://blog.csdn.net/u010462297/article/details/50589991

引言

在某些情况下会需要用到多层绘制。FBO下有多个颜色挂接点(Color Attachment),可以用不同的挂接点挂接不同的纹理对象,实现绘制多张纹理(MRT),这在之前的文章里已经有所描述。但是有时候这种方法是不够好用的:
- 当纹理非常多时,挂接点往往不够;
- 用多层绘制还能实现一些更为方便的功能,比如只调用一次shader就完成多个不同视点图像的绘制。
特别是后面一点,实在是利器,配合视口矩阵(Viewport Array),简直是方便。

网上的资料非常有限,不过幸好有 OpenGL Wiki 这种官方的文档,只是文档往往也写得不够详细,英文的看着也费劲得很。折腾了好久,终于试出来了。

要实现Layered Rendering,需要用到多层纹理Array Texture、帧缓存对象FBO、几何着色器Geometry Shader。

多层纹理(Array Texture)

多层纹理就是一个纹理对象的一层MipMap下储存着多张纹理。最常用的二维纹理是GL_TEXTURE_2D,对应的多层纹理就是GL_TEXTURE_2D_ARRAY。其实这种纹理跟三维纹理差不多,用的函数往往也是三维纹理相关的函数,区别只在于第三维:深度,多层纹理的深度值就是层号,而三维纹理的深度值是像素坐标。

生成

二维多层纹理的生成方法跟普通的二维纹理几乎没有区别,只不过将GL_TEXTURE_2D换成GL_TEXTURE_2D_ARRAY。当然,在传入纹理数据时,应当换成glTexImage3D函数,而这个函数相比glTexImage2D也就多了一个深度变量,这个变量的值是纹理层数。对于Layered Rendering而言,是要将这个纹理绑到FBO上,然后画到这个纹理里,因此只需要调用:

glTexImage3D(GL_TEXTURE_2D_ARRAY, 0, GL_RGBA, width, height, 2, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, nullptr);
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这里是写了2层width*height分辨率的纹理,用的是RGBA像素排列格式,最后一个参数是nullptr因为不必传内容。

读取

当然,纹理的读出还是有一些讲究的。在内存里纹理是按行优先的顺序存储,因此实际上拿到的w×h×d分辨率的二维多层纹理的数据相当于w×hd分辨率的普通二维纹理,每一层将在高度方向叠起来。

帧缓存对象(FBO)

FBO可讲的地方不多,很多文章都有介绍过。不过依然要注意两个地方。

完备性

FBO要能用,就必须实现其完备性(Completeness)。一般二维纹理挂接到FBO的颜色挂接点上,然后再生成一个深度缓存,挂到深度挂接点上,不会有什么问题。但是,对于多层纹理而言,则有一个强制要求:FBO的所有挂接点上挂接的必须都是多层的对象。所以,如果还需要深度信息,则深度缓存必须也做成多层的。所以,应该再开一个多层纹理,挂接到深度挂接点上来作为深度缓存。

纹理挂接

其实无论什么性质的纹理,挂接到FBO上时都可以统一用以下这句代码:

glFramebufferTexture(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, texID, 0);
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假设将纹理texID挂接到0号颜色挂接点。这就不必关心纹理到底是什么格式。

几何着色器(Geometry Shader)

要实现Layered Rendering,必须要用到Geometry Shader。以前一直都是跟Vertex Shader和Fragment Shader打交道,后来用了一下Compute Shader,现在终于用到这个了。

Geometry是介于Vertex和Fragment之间的一道步骤,其作用应该是对Vertex给出的顶点的进一步细分描述吧,具体并不太懂。但是它能够使顶点“无中生有”,这是画多层图像的关键。
试想一下,对于多层纹理而言,每一层的纹理坐标实际上是相同的。层号如何指定呢?固然可以在建立VBO时给纹理坐标第三个维度值,但是这并不会让OpenGL画到你想画的层上:Fragment的过程就是将顶点像素化的过程,而这个过程是二维的……最后拿到的二维图像必然没有深度,层数无从谈起。

但是Geometry却有个关键的内建输出变量:out int gl_Layer,正是它能够指定绘制的层数。我们不妨先将我写出来的geometry shader的内容贴出来,注意显卡至少要支持到OpenGL 4.0,#version这句至少是400:

#version 450
layout (triangles, invocations = 2) in; //输入三角形,2次调用
layout (triangle_strip, max_vertices = 3) out; //输出三角形
in vec2 gTexCoord[]; //从Vertex传过来的纹理坐标
out vec2 fTexCoord; //传到Fragment去的纹理坐标
out int gl_Layer; //层数的标记
void main()
{
for(int k=0; k<gl_in.length(); k++) //针对三角形每个顶点
{
gl_Layer = gl_InvocationID; //用调用编号标记层号
fTexCoord = gTexCoord[k]; //纹理坐标传递
gl_Position = gl_in[k].gl_Position; //顶点坐标传递
EmitVertex(); //开始传递顶点信息
}
EndPrimitive(); //结束
}

需要注意的是,triangles意味着你在OpenGL的绘制指令必须是GL_TRIANGLEGL_TRIANGLE_STRIP或者GL_TRIANGLE_FAN。其他的对应关系可以在Wiki查到。三角形有3个顶点,这一组3个顶点将同时进入Geometry中,因此在Geometry中能拿到一个gl_in[]的内建数组,这个数组的大小应该跟绘制时一组顶点的数量一致,三角形就是3。而在这里我不需要增加顶点,因此输出也还是3个顶点。同时纹理坐标也理所当然地变成了数组。因此需要一个循环来对三角形的每个顶点进行操作。

这里顶点坐标和纹理坐标都不必改,因此直接传递过去了。重点在于gl_Layer这一句。gl_Layer这个内建变量用于指示当前绘制的层号,这个值将影响像素化后像素绘制到哪一层上。OpenGL要求一组顶点(这里是一个三角形)内部的gl_Layer必须一致。这里赋值之后顺便把它传到Fragment里作为标志。
关键的一步在于第二行的invocations = 2gl_InvocationID这个内建变量。invocations=n指示Geometry对每组顶点做n次运算,用gl_InvocationID来标记每次运算的序号。我们可以将这个序号送到gl_Layer来作为层号的值!这样geometry就会将这一组顶点重复发送两次,而这两次是发送到不同层上的,从而实现不同层的绘制!

接下来只要在Fragment里拿到这个gl_Layer,根据需要分层作处理就可以了。

其他用途:多视口绘制

除了gl_Layer外,还有一个内建变量叫做gl_ViewportIndex,用于标记视口矩阵(Viewport
Array)的序号。视口矩阵可以往显卡送入多个视口,通过这个序号指定要使用哪个。因此,可以将这个特性用于同一场景的多视口绘制,比如类似3Ds
MAX的三视图绘制。可以把Vertex
Shader的大部分工作交给Geometry来完成,在Geometry内部对每个不同视口进行不同的顶点变换,从而主程序不需要再用循环,只要一次性将数据传入显卡,通过一次Geometry的流程实现多视口绘制。具体操作可以下回试试。

参考文献

OpenGL Wiki: https://www.opengl.org/wiki/
Stack Overflow:http://stackoverflow.com/

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