OpenGL实现多层绘制（Layered Rendering）

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);

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);

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_TRIANGLE、GL_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 = 2和gl_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/