GPU深度发掘(二)::OpenGL FrameBuffer Object 101

作者：by Rob 'phantom' Jones                译者：华文广                 更新：2007/6/1   介绍   Frame Buffer Object(FBO)扩展，被推荐用于把数据渲染到纹理对像。相对于其它同类技术，如数据拷贝或交换缓冲区等，使用FBO技术会更高效并且更容易实现。 在这篇文章中，我将会快速地讲解一下如何来使用这一扩展，同时会介绍一些在使用过程中我们要注意的地方。学会该技术后，你便可以把一些渲染到纹理(render to texture)的功能加入到你的程序中，实现更快速的运行。 建立 和OpenGL中的其它对像一样，如纹理对像(texture object), 像素缓冲对像(pixel buffer objects) , 顶点缓冲对像(vertex buffer object)等，在使用一个FBO对像之前，你必须先要生成该对像，并取得一个有效的对像标识。 GLuint fbo; glGenFramebuffersEXT(1, &fbo); 要对一个FBO进行任何的操作，你必须先要对它进行绑定。这一步骤与我们平时使用VBO或者纹理的过程很像。绑定对像后，我们便可以对FBO进行各种操作了，以下代码演示如何进行绑定。 glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, fbo); 第一个参数是“目标(target)”，指的是你要把FBO与哪个帧缓冲区进行绑定，目前来说，我个参数就只有一些预定义的选择(GL_FRAMEBUFFER_EXT)，但将来扩展的发展，可能会来现其它的选择，让你把FBO与其它的目标进行绑定。整型变量fbo，是用来保存FBO对像标识的，这个标识我们已在前面生成了。要实现任何与FBO有关的操作，我们必须有一个FBO被绑定，否则调用就会出错

加入一个深度缓存(Depth Buffer) 一个FBO它本身其实没有多大用处，要想让它能被更有效的利用，我们需要把它与一些可被渲染的缓冲区绑定在一起，这样的缓冲区可以是纹理，也可以是下面我们将要介绍的渲染缓冲区(renderbuffers)。 一个渲染缓冲区，其实就是一个用来支持离屏渲染的缓冲区。通常是帧缓冲区的一部份，一般不具有纹理格式。常见的模版缓冲和深度缓冲就是这样一类对像。 在这里，我们要为我们的FBO指定一个渲染缓冲区。这样，当我们渲染的时候，我们便把这个渲染缓冲区作为FBO的一个深度缓存来使用。 和FBO的生成一样，我们首先也要为渲染缓冲区指定一个有效的标识。 GLuint depthbuffer; glGenRenderbuffersEXT(1, &depthbuffer); 成功完成上面一步之后，我们就要对该缓冲区进行绑定，让它成为当前渲染缓冲，下面是实现代码。 glBindRenderbufferEXT(GL_RENDERBUFFER_EXT, depthbuffer); 和FBO的绑定函数一样，第一个参数是“目标(target)”，指的是你要与哪个目标进行绑定，目前来说，只能是一些预定义好的目标。变量dephtbuffer用来保存对像标识。 这里有一个关键的地方，也就是我们生成的渲染缓冲对像，它本身并不会自动分配内存空间。因此我们要调用OpenGL的函数来给它分配指定大小的内存空间，在这里，我们分配一个固定大小的深度缓显空间。 glRenderbufferStorageEXT(GL_RENDERBUFFER_EXT, GL_DEPTH_COMPONENT, width, height); 上面这一函数成功运行之后，OpenGL将会为我们分配好一个大小为width x height的深度缓冲区。注意的是，这里用了GL_DEPTH_COMPONENT,就是指我们的空间是用来保存深度值的，但除了这个之外，渲染缓冲区 还可以用来保存普通的RGB/RGBA格式的数据或者是模板缓冲的信息。 准被好了深度缓存的显存空间后，接下来要做的工作就是把它与前面我们准备好了的FBO对像绑定在一起。 glFramebufferRenderbufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, GL_DEPTH_ATTACHMENT_EXT, GL_RENDERBUFFER_EXT, depthbuffer); 这个函数看起来有点复杂，但其实它很好理解的。它要做的全部工作就是把把前面我们生成的深度缓存对像与当前的FBO对像进行绑定，当然我们要注意一个FBO有多个不同绑定点，这里是要绑定在FBO的深度缓冲绑定点上。

加入用于渲染的纹理 到现在为止，我们还没有办法往FBO中写入颜色信息。这也是我们接下来正要讨论的，我们有以下两种方法来实现它： 把一个颜色渲染缓冲与FBO绑定。 把一个纹理与FBO绑定。 前者在某些地方会用到，后面的章节我们会深入讨论。现在我们先来说说第二种方法。 在你想要把纹理与一个FBO进行绑定之前，我们得先要生成这个纹理。这个生成纹理的过程种我们平时见到的纹理生成没什么区别。 GLuint img; glGenTextures(1, &img); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, img); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA8, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); 这个实例中，我们生成一个普通的RGBA图像，大小是width x height,与前面我们生成的渲染缓冲区的大小是一样的，这一点很重要，也就是FBO中所有的绑定对像，都必须要有相同的宽度和高度。还有要注意的就是：这里我们没有上传任何的数据，只是让OpenGL保留分配好的空间，稍后我们将会用到。 生成好纹理之后，接下来的工作就是把这个纹理与FBO绑定在一起，以便我们可以把数据渲染到纹理空间中去。 glFramebufferTexture2DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT, GL_TEXTURE_2D, img, 0); 这里再次看到这个看起来非常可怕的函数，当然它也并没有我们想像中那么难理解。参数GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT是告诉OpenGL把纹理对像绑定到FBO的0号绑定点（一个FBO在同一个时间内可以绑定多个颜色缓冲区，每个对应FBO的一个绑定点），参数GL_TEXTURE_2D是指定纹理的格式，img保存的是纹理标识，指向一个之前就准备好了的纹理对像。纹理可以是多重映射的图像，最后一个参数指定级级为0，指的是使用原图像。 最后还有一步要做的工作，就是检查一下FBO的准备工作是否全部完成，是否以经能被正确使用了。 这个测试工作由下面一个函数来完成，它会返回一个当前绑定的FBO是否正确的状态信息。 GLenum status = glCheckFramebufferStatusEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT); 如果所有工作都已经做好，那么返回的状态值是GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE_EXT，也就是说你的FBO已经准备好，并可以用来作为渲染对像了。否则就会返回其它一个错误码，通过查找定义文档，可以找到相关的错误信息，从而了角错误大概是在哪一步骤中产生的。

渲染到纹理 所有困难的工作就是前面建立FBO环境的部份，剩下来的工作就相当简单了，相关的事情就只是调用一下以下这个函数：glBindFramebufferEXT(). 当我们要把数据渲染并输出到FBO的时候，我们只需要用这个函数来把一个FBO对像进行绑定。当我们要停止输出到FBO，我们只要把参数设为0，再重新调用一次该函数就可以了。当然，停止向FBO输出，这也是很重要的，当我们完成了FBO的工作，就得停止FBO，让图像可以在屏幕上正确输出。 glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, fbo); glPushAttrib(GL_VIEWPORT_BIT); glViewport(0,0,width, height); // Render as normal here // output goes to the FBO and it's attached buffers glPopAttrib(); glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, 0); 上面另外三行代码glPushAttrib/glPopAttrib 及 glViewport，是用来确保在你跳出FBO渲染的时候可以返回原正常的渲染路径。glViewport在这里的调用是十分必要的，我们不要常试把数据渲染到一个大于或小于FBO大小的区域。 函数glPushAtrrib 和 glPopAttrib 是用来快速保存视口信息。这一步也是必要的，因为FBO会共享主上下文的所有信息。任何的变动，都会同时影响到FBO及主上下文，当然也就会直接影响到你的正常屏幕渲染。 这里一个重要信息，你可能也注意到了，我们只是在绘制的时候绑定或解除FBO，但是我们没有重新绑定纹理或渲染缓冲区，这里因为在FBO中会一直保存了这种绑定关系，除非你要把它们分开或FBO对像被销毁了。

使用已渲染出来的纹理 来到这里，我们已经把屏幕的数据渲染到了一个图像纹理上。现在我们来看一看如何来使用这张已经渲染好了的图像纹理。这个操作的本身其实是很简单的，我们只要把这张图像纹理当作普通纹理一样，绑定为当前纹理就可以了。 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, img); 以上这一函数调用完成之后，这张图像纹理就成了一个在绘图的时候用于被读取的普通纹理。 根据你在初始化时所指定的不同纹理滤波方式，你也许会希望为该纹理生成多重映像(mipmap)信息。如果要建立多重映像信息，多数的人都是在上传纹理数据的时候，通过调用函数gluBuild2DMipmaps()来实现，当然有些朋友可能会知道如何使用自动生成多重映像的扩展，但是在FBO扩展中，我们增加了第三种生成映像的方法，也就是使用GenerateMipmapEXT()函数。 这个函数的作用就是让OpenGL帮你自动创建多重映像信息。中间实现的过程，根据不同的显卡会有所不同，我们只关心它们最终的结果是一样就行了。值得注意的是：对于这种通过FBO渲染出来的纹理，要实现多重映像的话，只有这一种方法是正确的，这里你不可以使用自动生成函数来生成多重映像，这其中的原因有很多，如果你想深入了解的话，可以查看一下技术文档。 使用这一函数使方便，你所要做的就是先把该纹理对像绑定为当前纹理，然后调用一次该函数就可以了。 glGenerateMipmapEXT(GL_TEXTURE_2D); OpenGL将会自动为我们生成所需要的全部信息，到现在我们的纹理便可以正常使用了。 一个重点要注意的地方：如果你打算使用多重映像(如 GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR)，该函数glGenerateMipmapEXT()必须要在执行渲染到纹理之前调用。 在创建纹理的时候，我们可以按以下代码来做。 glGenTextures(1, &img); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, img); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA8, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexParameterf(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR); glGenerateMipmapEXT(GL_TEXTURE_2D); 到现在，这张纹理和普通纹理没什么区别，我们就按处理普通纹理的方法来使用就可以了。

清理 最后，当你完成了所有的FBO操作之后，请别忘了要清理或删除掉那些不要了的FBO对像，和清理纹理对像相似，这一步只要以下一个函数就可以完成： glDeleteFramebuffersEXT(1, &fbo); 同样的，你如果分配了渲染缓冲对像，也别忘了要把它清理掉。本实例中我们分配的是深度缓存渲染对像，我们用以下函数来清除它： glDeleteRenderbuffersEXT(1, &depthbuffer); 到这里，所有的FBO对像及渲染缓冲都被释放掉了，我们的清理工作也就完成了。 最后的思考 这一篇文章只是对FBO扩展的一个初步介绍，希望对你有所帮助，更多详细的知识，可以查看一下FBO spec ,或者看一下《More OpenGL Game Programming》这本书中关于扩展部分的章节。 问题的返溃及相关技术的讨论，可以登陆物理开发网的GPGPU/CUDA论坛进行交流。 在文档结束之前，我要说一下在使用FBO来写程序的过程中，一些值得我们去注意的地方：  就目前来说，你没办法得到模版缓冲的绑定点。虽然在技术上是定义了这么一种深度模版的纹理格式，目的是让我们可以渲染到模版，但这一技术到目前为止还缺乏硬件的支持。 不要频繁地创建及销毁FBO对像。好的做法应该是在程序建立的同时生成FBO对像，然后在我们需要用到的地方使用它。  一个纹理，如果被定义为用于做渲染纹理，那么我们就要尽量避免使用glTexImage之类的函数来修改该纹理的数据，这样做多数情况下会让你的程序出现问题。 本文示例程序中要注意的地方 对应这篇文章所讨论的内容，我们写了一个相应的程序，其功能就是给FBO加入一个深度缓冲对像及一个纹理对像。我们发现，在ATI的显卡中有一个bug，也就是当我们给同时FBO加入一个深度缓冲及一个纹理的时候，就会出现严重的冲突。从这里也告诉我们，当我们在写好一个FBO相关的程序的时候，一定要在不同的硬件及不同的驱动下进行广泛的测试，直到没有任何渲染问题为止。 I'd also like to put out a big thanks to Rick Appleton for helping me test out and debug the code on NVIDA hardware, couldn't have done it without you mate :) 本程序需要有GLUT函数库的支持才能正确运行，我使用的是FreeGLUT. FBO_Example.zip程序下载 本译文可以自由转载，要求保留原作者信息并注明文章出自物理开发网：http://www.physdev.com/ 参考 GPU深度发掘 More OpenGL Game Programming Framebuffer Object Spec GDC 2005 Framebuffer Object pdf