OpenGL 按照三角形仿射变换并贴图渲染（正常渲染或离屏渲染以及异步优化）（一）

标签：CG opengl

转载请说明：http://blog.csdn.net/hust_sheng/article/details/75268410

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需求

  在2转8路或者4转64路虚拟视点合成的项目中，需要根据真实相机的真实视点合成虚拟位置（虚拟相机）的虚拟视点。最后一步的绘制过程大致如下：

  其实就是将图像以三角形为单位，从原始图像（左侧）向目标图像（右侧）映射，也即warp。本质是仿射变换的过程。

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怎么用OpenGL实现上述过程？

  OpenGL的贴图渲染会基于GPU使用shader进行，效率较高，对于加速来说比较合适，贴图渲染也是OpenGL较为核心的功能。下面进行大致的介绍：

• 环境
  VS2015
glew/freeglut
API：OpenGL2.0

  • 安装VS之后默认会包含OpenGL，不需要重新安装，但是如果需要其他第三方库，需要下载或者编译，相关内容见：windows下配置OpenGL 32位/64位环境（glut、freeglut、glew等工具）
  • 遗憾的是本文使用的是OpenGL2.0，貌似有点落伍，还是推荐3.0。但是两个版本的OpenGL原理是一样的。
  • 基于shader实现的三角形仿射变换并贴图渲染已经给出了一个较为简化的补充（附代码），见链接

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常见的渲染一般会分为两种：（1）渲染至窗口（2）离屏渲染

• 头文件

#include        // 必须在glut.h之前include
//
#include 
#include 
#include 
#include 

• 渲染至窗口
  使用glut即可

  • 初始化包括两个部分

    • 初始化窗口
    • 设置纹理对象（数据来源）以及相关参数

    void initOpenGL(int argc, char* argv[])
    {
    	// GLUT 初始化
    	glutInit(&argc, argv);
    	
    	glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_DOUBLE);        // 双缓冲
    	glutInitWindowPosition(0, 0); 
    	glutInitWindowSize(640, 480);
    	glutCreateWindow("X-project");
    
    	glEnable(GL_TEXTURE_2D);
    
    	int texture_ID;
    	glGenTextures(1, &texture_ID);  // 分配一个新的纹理编号
    	if (texture_ID == 0) {
    		return;
    	}
    
    	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture_ID);
    	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);		    // 双线性插值
    	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
    	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_BORDER);		// 对应原图像中超出边缘的像素按照边界扩展（黑边）
    	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_BORDER);
    	glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_REPLACE);
    
    	float border_color[4] = { 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f };
    	glTexParameterfv(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_BORDER_COLOR, border_color);
    	
    	return ;
    }
    

  需要说明的是，如果我们没有指定渲染的缓冲区，OpenGL默认的渲染缓冲区是窗口绑定的Frame Buffer Object。整个流程简单来说如下图所示：

  

  • 准备数据

    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0,
    			 GL_BGR_EXT, GL_UNSIGNED_BYTE, tlImage->imageData);
    

    除了最后一个参数之外，其他参数是为了配置最后一个参数对应的图像数据（如果我们设置的是纹理的话，第一个参数是固定的）。最后一个参数：tlImage->imageData 表示贴图渲染的原图像，或者说是参考图像，我们的目的是得到贴图之后的图像。

  • 设置贴图渲染的像素点的对应关系（关键的一步）

  // 开始绑定
  glBegin(GL_TRIANGLES);          // 指定映射方法：三角形或者矩形
  
  ... // 设置原图像和贴图之后的目标图像对应的顶点
  
  glEnd();
  

  设置原图像和贴图之后的目标图像对应的顶点 这句话的意思是什么呢？OpenGL需要知道 srcImage -> dstImage 之间的映射关系，才能进行“贴图”操作，有下面几种常见映射方法：

  1. 矩形映射
     首先将映射方式设置为：GL_QUADS，之后可以直接设置当前图像和目标图像的四个图像顶点，即依次矩形映射即可完成贴图过程，我们也可以设置多组小矩形之间的映射类似于下图。

  2. 三角形映射
     如果将映射方式设置为：GL_TRIANGLES，之后可以直接设置当前图像和目标图像按照三角形换分之后的顶点，如下图所示：
     

     给一个例子：

     // 开始绑定
     glBegin(GL_TRIANGLES);
     
     // 上三角
     glTexCoord2d(u1_up, v1_up);		// src
     glVertex3d(x1_up, y1_up, 1);	// dst
     
     glTexCoord2d(u2_up, v2_up);
     glVertex3d(x2_up, y2_up, 1);
     
     glTexCoord2d(u3_up, v3_up);
     glVertex3d(x3_up, y3_up, 1);
     
     glEnd();
     

     glTexCoord2d 函数（纹理坐标，即原图像坐标）用于设置srcImage图像的三角形顶点，三组(x, y)；
     glVertex3d 函数（顶点坐标，目标图像坐标）用于设置dstImage图像的三角形顶点，三组(x, y, 1)，第三个参数表示法向量，2D设置为1即可。

  • 显示

    glutSwapBuffers();
    

    该函数的目的就是交换缓冲区，我们一开始会设置单缓冲或这是双缓冲（效率更高一点），上述函数就是将缓冲区中地数据交换到绑定至窗口的FBO中，我们就可以看到相应的图片了。

  • 数据读取

      ```
      pPixelData = (GLubyte*)malloc(PixelDataLength);
      if (pPixelData == 0)
      	exit(0);
      
      ...
      
      // 读取像素
      glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 4);
      glReadPixels(0, 0, width, height, GL_BGR_EXT, GL_UNSIGNED_BYTE, pPixelData);
      ```
      
      基本思路是通过glReadPixels函数读取GPU中对应缓冲区的数据，将其保存在预先设计好的buffer（pPixelData）里面，之后将buffer保存在本地，具体的过程见 [链接](http://blog.csdn.net/hust_sheng/article/details/75268056)。
      
      需要说明的是：
        调用glReadPixels函数之前，需要加上 `glReadBuffer(GL_FRONT);` ，因为对于渲染到窗口的情况来说，窗口相当于FRONT，这句话相当于说，我们读取的对象是“前端”的数据。现在思考另一个问题，既然我们设置的是双缓冲！那么，`glReadBuffer(GL_BACK);` 是否有用呢？事实证明是的，这里也有 `离屏渲染` 的思想（注意思想）：
        *在调用glutSwapBuffers()函数之前，数据应该是在“后端”的，所以我们在此处就进行数据读取也是可以的，那么就需要设置 `glReadBuffer(GL_BACK);`。*
    

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• 离屏渲染

  相对于窗口渲染来说，头文件是一致的，主要基于glew。

  • 初始化包括四个部分

    • glut初始化

      // GLUT 初始化 
      glutInit(&argc, argv);
      glutInitDisplayMode(GLUT_RGB | GLUT_DOUBLE);
      glutInitWindowPosition(-100, -100);
      glutInitWindowSize(1, 1);
      glutCreateWindow("glew test"); 
      

    • glew初始化

      // GLEW 初始化
      GLenum  err;
      err = glewInit();
      

    • 创建原图像数据纹理

      glEnable(GL_TEXTURE_2D);    // 使用纹理之前需要开启
      
      glGenTextures(1, &m_srctex);
      glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_srctex);
      glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
      glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
      glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_BORDER);
      glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_BORDER);
      glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_REPLACE);
      

    • 创建目的图像纹理并与FBO（也要创建）绑定

      glGenTextures(1, &m_dstfbotex);
      glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_dstfbotex);
      glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
      glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
      glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_BORDER);
      glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_BORDER);
      //glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_REPLACE);
      glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, m_width, m_height, 0, GL_BGR, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
      
      glEnable(GL_FRAMEBUFFER);
      glGenFramebuffers(1, &m_FboID);
      glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, m_FboID);
      glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER,
      					   GL_COLOR_ATTACHMENT0,    // 把纹理对象绑定到FBO的0号绑定点
      					   GL_TEXTURE_2D, m_dstfbotex, 0);	// 0 表示使用原图像
      					   
      GLenum status = glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER);
      if (status != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE){
          exit(-1);
      }
      

      注意
        前面也说，OpenGL会将一个默认的FBO绑定到显示的窗口上面。这里我们自己创建一个FBO和一个纹理，再将两者绑定，这样系统就会使用我们自己创建的FBO，避免了屏幕渲染的过程，这就是离屏渲染。

    • 保存状态变量

      glGetIntegerv(GL_FRAMEBUFFER_BINDING_EXT, &m_curbuff);
      
      glPushAttrib(GL_VIEWPORT_BIT);      // 保存状态变量
      glMatrixMode(GL_PROJECTION);
      glPushMatrix();
      glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
      glPushMatrix();
      
      glClear(GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_COLOR_BUFFER_BIT);
      
      glViewport(0, 0, m_width, m_height);
      
      glMatrixMode(GL_PROJECTION);
      glLoadIdentity();
      glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
      glLoadIdentity();
      gluOrtho2D(0.0, 1.0, 0.0, 1.0);
      

    • 准备数据

      非常关键！

      glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_srctex);         // 纹理选择绑定m_srctex纹理
      glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, width, height, 0,
      	 GL_BGR_EXT, GL_UNSIGNED_BYTE, tlImage->imageData);     // 将原数据加载到m_srctex纹理
      
      ...     // 设置贴图渲染的像素点的对应关系（关键的一步）
      

    • 渲染至我们自己设置的FBO

        采用离屏渲染不需要 glutSwapBuffers(); 但是需要注意的是，在读取FBO中数据的时候需要加上下面代码，表示读取的是我们自己的m_FboID对应的FBO中的数据，很重要！

      glBindFramebuffer(GL_READ_FRAMEBUFFER, m_FboID);
      

    • 恢复状态变量

      glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
      glPopMatrix();
      glMatrixMode(GL_PROJECTION);
      glPopMatrix();
      glPopAttrib();
      

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性能优化（异步操作）

  针对上述离屏渲染过程进行性能分析，发现数据量大的时候，渲染过程和GPU->CPU的数据传输过程（glReadPixels函数）都会有较大的耗时，可以采取的解决方案是渲染过程和数据处理过程采用异步处理，查阅相关资料发现glReadPixels函数本身不支持异步操作，但是我们通过采用PBO可以实现类似的异步操作。下面简单介绍：

• 初始化

  创建PBO：

  glGenBuffersARB(PBO_COUNT, pboIds);
  glBindBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB, pboIds[0]);
  glBufferDataARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB, DATA_SIZE, 0, GL_STREAM_READ_ARB);
  

• 数据读取操作

  glBindBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB, pboIds[0]);
  // 注意glReadPixels函数的最后一个参数是0
  glReadPixels(0, 0, width, height * OPENGL_FBO_PARALLELNUM, GL_BGR_EXT, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);
  
  // 异步读取
  GLubyte* image_src = (GLubyte*)glMapBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB, GL_READ_ONLY_ARB);
  
  if (image_src){
  	glUnmapBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB);
  }
  

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关于如何将OpenGL渲染的图片保存到本地，见链接