GPU深度发掘(四)::Render to Vertexbuffer in OpenGL
作者：华文广 更新：2007/5/10 www.physdev.com
要想实现GPU编程，需要比较好的相关理论基础才行。如果你以前没有这方面的基础，请先学习一下相关的知识，推荐看一下文章《GPGPU::数学基础教程》
概貌:
- PBO: Pixel buffer object
- FBO: Frame buffer object
- VBO: Vertex buffer object
以下介绍两种不同的实现方法，随着显卡的不断发展，可能会有更好的解决方法，但以下两种方法是目前比较常用的。
方法 1: 在顶点着色其间读取纹理，也就是（Vertex Texture Fetch）.
可以看一下以下论文：http://developer.nvidia.com/object/using_vertex_textures.html
优点:
不用拷贝到VBO。
灵活的纹理数据读取
消耗比较少的显存资源
缺点:
只有NVidia的N3.0以上的显卡才支持
只支持少量的浮点纹理格式（GL_RGBA_FLOAT32_ATI）
老的显卡（GFX系列之前）不支持，GF6以后的才可以。
稍为要慢一点，GF6600GT的读取纹理的速度是30M/秒，如果该纹理要先经过FBO作处理的话，则会更慢一些。当然，这里的慢是相对于后面将要绍介的第二种方法而言，但如果与把纹理读回到CPU内存的速度相比，这个方法要快得多。
方法 2: 拷贝到像素缓冲对像（PBO）
PBO指的是： pixel buffer object，PBO能直接转换为VBO,用作顶点数组的渲染。
优点:
支技多种PBO的数据格式，而不紧紧是浮点的RGBA。
更快。在GF6600GT显卡上，渲染FBO + 拷贝FBO到PBO + 渲染VBO，速度是58M/秒。据说现在新的G8显卡，可以省去拷贝这一步，也就是直接渲染到VBO，那速度就更快了。
缺点:
比较高的显存消耗。
须要额外的拷贝动作。
使用多个FBO渲染对像时，每个对像必许用同一种数据格式。例如：如果我们想在一个渲染通道中，把position信息渲染到浮点RGB缓冲区块，然后把normal信息渲染到BYTE-RGB格式的缓冲区，这样做是不行的。
注意：老的GFX显卡不支持多渲染对像。
实现:
方法 1: 在顶点着色其间读取纹理.
步骤 1: 生成 FBO
生成一个FBO，然后把一个用来保存顶点数据的纹理绑定到这个FBO上。
步骤 2: 生成 VBO
生成一个顶点缓冲对像（VBO），用来保保存纹理坐标信息，主要的作用就是为了在顶点着色期间能正确定位并读取到FBO纹理中的数据。
Create a vertex buffer object (VBO) holding texture coordinates for
referencing the FBO texture (e.g. a position VBO with
2 float-coordinates per vertex)
( see further down the text how to create )
步骤 3: 渲染 FBO
( 详细说明请看后面的内容 )
步骤 4: 渲染 VBO
这里，我们先从VBO得到顶点坐标，然后用该坐标来访问FBO纹理，并取得纹理数据。
以下例子是一个顶点程序的代码：
Code:
// vertex.position is our
// index to the real vertex array
!!ARBvp1.0
OPTION NV_vertex_program3;
PARAM mvp[4] = { state.matrix.mvp };
TEMP real_position;
TEX real_position, vertex.position, texture[0], 2D;
DP4 result.position.x, mvp[0], real_position;
DP4 result.position.y, mvp[1], real_position;
DP4 result.position.z, mvp[2], real_position;
DP4 result.position.w, mvp[3], real_position;
END ;
Quote:
Originally Posted by Nvidia Documentation
顶点纹理的调用会有许多的限制，必须使用GL_TEXTURE_2D的纹理对像，目前只支持GL_LUMINANCE_FLOAT32_ATI 和 GL_RGBA_FLOAT32_ATI 两种数据格式，这两种格式都表示只支持32-bit的浮点数据，前者是单通道，后者是四通道。值得注意的是：如果使用其它的纹理格式，或用了一些不被支持的过滤模式，会造成一些问题，显卡驱动可能会退回到软件模式下进行顶点处理。
以下是一个正确的代码写法。
GLuint vertex_texture; glGenTextures(1, &vertex_texture); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, vertex_texture); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_LUMINANCE_FLOAT32_ATI, width, height, 0,GL_LUMINANCE,GL_FLOAT, data);
方法2. 拷贝到像素缓冲对像 (PBO).
步骤 1: 生成一个用作像素缓冲对像的VBO:
示例:
GLuint vbo_points_handle; glGenBuffersARB(1, &vbo_vertices_handle); glBindBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_EXT, vbo_vertices_handle); glBufferDataARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_EXT, vbo_points.size()*4*sizeof(float ),NULL,GL_DYNAMIC_DRAW_ARB );
步骤 2: 生成一个 FBO.
多个渲染对像可以帮助我们实现同一时间写入顶点/法线/副法线。以下是一个生成FBO的示例：
GLuint fb_handle; glGenFramebuffersEXT(1,&fb_handle); fbo_tex_vertices = NewFloatTex(tex_width,tex_height,0); fbo_tex_normals = NewFloatTex(tex_width,tex_height,0);
这段代码是演示如何生成浮点数据的纹理。
/** * Sets up a floating point texture with NEAREST filtering.
* (mipmaps etc. are unsupported for floating point textures) */
void setupTexture (const GLuint texID,int texSize_w,int texSize_h)
{
// make active and bind
glBindTexture(textureParameters.texTarget,texID);
// turn off filtering and wrap modes
glTexParameteri(textureParameters.texTarget, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(textureParameters.texTarget, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);
glTexParameteri(textureParameters.texTarget, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP);
glTexParameteri(textureParameters.texTarget, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP);
// define texture with floating point format
glTexImage2D(textureParameters.texTarget,0,textureParameters.texInternalFormat,
texSize_w,texSize_h,0,textureParameters.texFormat,GL_FLOAT,0);
// check if that worked
if (glGetError() != GL_NO_ERROR)
{
printf("glTexImage2D():[FAIL] ");
// PAUSE();
exit (ERROR_TEXTURE);
}
else if (mode == 0)
{
printf("glTexImage2D():[PASS] ");
}
// printf("Created a %i by %i floating point texture. ",texSize,texSize);
}
注意：即使我们可以生成RGB的纹理，但它内部格式可能还是RGBA的，用glReadPixels()来读取数据时由于要进行格式转换，可能会减慢运行的速度。因此，多数情况下，我们尽量使用RGBA的格式。
步骤 3: 渲染 FBO
输入纹理中包含有必要的数据（如：顶点位置、法线等），经过运算之后，把数据保存到输出纹理中。
下面代码是绑定FBO缓冲区：
//glBindFramebufferEXT(GL_attach two textures to FBO
glFramebufferTexture2DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, attachmentpoints[0],
textureParameters.texTarget, outTexID, 0);
// check if that worked
if (!checkFramebufferStatus())
{
printf("glFramebufferTexture2DEXT(): [FAIL] ");
// PAUSE();
exit (ERROR_FBOTEXTURE);
}
else if (mode == 0)
{
printf("glFramebufferTexture2DEXT(): [PASS] ");
}
下面代码通过渲染一个四边形来触发FBO的运算。
// make quad filled to hit every pixel/texel
// (should be default but we never know)
glPolygonMode(GL_FRONT,GL_FILL);
if (textureParameters.texTarget == GL_TEXTURE_2D)
{
// render with normalized texcoords
glBegin(GL_QUADS);
glTexCoord2f(0.0, 0.0); glVertex2f(0.0, 0.0);
glTexCoord2f(1.0, 0.0); glVertex2f(outTexSizeW, 0.0);
glTexCoord2f(1.0, 1.0); glVertex2f(outTexSizeW, outTexSizeH);
glTexCoord2f(0.0, 1.0); glVertex2f(0.0, outTexSizeH);
glEnd();
}
else
{
// render with unnormalized texcoords
glBegin(GL_QUADS);
glTexCoord2f(0.0, 0.0); glVertex2f(0.0, 0.0);
glTexCoord2f(outTexSizeW, 0.0); glVertex2f(outTexSizeW, 0.0);
glTexCoord2f(outTexSizeW, outTexSizeH); glVertex2f(outTexSizeW, outTexSizeH);
glTexCoord2f(0.0, outTexSizeH); glVertex2f(0.0, outTexSizeH);
glEnd();
}
gluOrtho2D是必须要有的! 如果没有, glReadPixels运行时会出错
/** * Creates framebuffer object, binds it to reroute rendering operations
* from the traditional framebuffer to the offscreen buffer
*/
void initFBO(void)
{
// create FBO (off-screen framebuffer)
glGetIntegerv(GL_DRAW_BUFFER, &_currentDrawbuf);
// Save the current Draw buffer
glGenFramebuffersEXT(1, &fb);
// bind offscreen framebuffer (that is, skip the window-specific render target)
glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, fb);
// viewport for 1:1 pixel=texture mapping
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluOrtho2D(0.0, outTexSizeW, 0.0, outTexSizeH);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
glViewport(0, 0, outTexSizeW, outTexSizeH);
}
步骤 4: 拷贝 FBO 的数据到 PBO
Example:
/** *Copy from FBO to PBO * */
void copyFromTextureToPBO(GLuint pboID,int texSize_w,int texSize_h)
{
glReadBuffer(attachmentpoints[0]);
glBindBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_EXT, pboID);
glReadPixels(0, 0, texSize_w,texSize_h, textureParameters.texFormat,GL_FLOAT, 0);
glReadBuffer(GL_NONE);
glBindBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_EXT, 0 );
}
( vbo_vertices.size() == tex_width * tex_height )
步骤 5: 渲染 VBO:
glBindBufferARB(GL_ARRAY_BUFFER_ARB, vbo_vertices_handle); glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY); glVertexPointer ( 4, GL_FLOAT,4*sizeof(float), (char *) 0); glBindBufferARB(GL_ARRAY_BUFFER_ARB, vbo_normals_handle); glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);glNormalPointer(GL_FLOAT, 4*sizeof(float), (char *) 0 ); glDrawArrays( GL_TRIANGLES, 0,vbo_vertices.size() ); glDisableClientState(GL_NORMAL_ARRAY); glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
示例说明
本文章所带的例子，实现了在GPU中计算B样条曲线的功能，用到的技术有：VBO,FBO,Render to vertex,CG,B-spline.实现过程如图所示：
主要分为三个阶段：
第一阶段：GPU片段着色运算，生成FBO顶点数据。
把样条控制点的数据发送到GPU的一个输入纹理（控制点纹理）。
在片段处理单元中读取控“制点纹理”中的数据，使用B样条插值函数，计算插值顶点，把结果保存到FBO所绑定的输出纹理（插值纹理）中。
第二阶段：FBO拷贝到PBO
把插值纹理通过使用glReadPixels()函数，拷贝到PBO中。
第三阶段：渲染VBO
使用glDrawArrays(); 来渲染样条曲线。当然这里我们要把前面生成的PBO数据指定为一个VBO对像。
整个过程的插值运算及数据拷贝，都是在GPU中进行，最终的顶点数据直接用顶点数组来作渲染，数据没有返回到CPU中因此速度会非常快。
结论
声明：
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/
本文所提供的代码在NV6600的显卡测试通过，如果如果你在其它显卡上测试有问题，可以到物理开发网（www.physdev.com）的GPGPU/CUDA论坛上发表留言进行反溃。
下一步计划将要写一个GUP粒子系统示例，GUP布料系统示例，GPU头发系统示例，敬请关注。
参考
http://oss.sgi.com/projects/ogl-sample/registry/EXT/pixel_buffer_object.txt
http://developer.nvidia.com/object/using_vertex_textures.html
http://wiki.delphigl.com/index.php/GLSL_Partikel
http://www.mathematik.uni-dortmund.de/~goeddeke/gpgpu/tutorial.html#arrays3
http://download.developer.nvidia.com/developer/SDK/Individual_Samples/samples.html