CSharpGL(8)使用3D纹理渲染体数据 (Volume Rendering) 初探

CSharpGL(8)使用3D纹理渲染体数据 (Volume Rendering) 初探

 

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

一图抵千言

您可以在（http://files.cnblogs.com/files/bitzhuwei/VolumeRendering01.rar）下载此demo，或者到（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）下载完整源码。

此demo来源于

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

3D纹理

比较常见的可能是２D纹理。用GL.TexImage2D(GL.GL_TEXTURE_2D,…);来设定2D纹理的数据。

 1             // generate texture.
 2             {
 3                 //  Lock the image bits (so that we can pass them to OGL).
 4                 BitmapData bitmapData = targetImage.LockBits(new Rectangle(0, 0, targetImage.Width, targetImage.Height),
 5                     ImageLockMode.ReadOnly, PixelFormat.Format32bppArgb);
 6                 //GL.ActiveTexture(GL.GL_TEXTURE0);
 7                 GL.GenTextures(1, texture);
 8                 GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
 9                 GL.TexImage2D(GL.GL_TEXTURE_2D, 0, (int)GL.GL_RGBA,
10                     targetImage.Width, targetImage.Height, 0, GL.GL_BGRA, GL.GL_UNSIGNED_BYTE,
11                     bitmapData.Scan0);
12                 //  Unlock the image.
13                 targetImage.UnlockBits(bitmapData);
14                 /* We require 1 byte alignment when uploading texture data */
15                 //GL.PixelStorei(GL.GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);
16                 /* Clamping to edges is important to prevent artifacts when scaling */
17                 GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_S, (int)GL.GL_CLAMP_TO_EDGE);
18                 GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_T, (int)GL.GL_CLAMP_TO_EDGE);
19                 /* Linear filtering usually looks best for text */
20                 GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
21                 GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
22             }

 

 

类似地可以用GL.TexImage3D(GL.GL_TEXTURE_3D来设置一个3D纹理。

 1             GL.GenTextures(1, m_nTexId);
 2 
 3             GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, m_nTexId[0]);
 4             GL.TexEnvi(GL.GL_TEXTURE_ENV, GL.GL_TEXTURE_ENV_MODE, (int)GL.GL_REPLACE);
 5             GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_S, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
 6             GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_T, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
 7             GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_R, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
 8             GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
 9             GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
10 
11             //uint target, int level, int internalformat, int width, int height, int depth, int border, uint format, uint type, IntPtr pixels)
12 
13             GL.TexImage3D(GL.GL_TEXTURE_3D, 0, (int)GL.GL_RGBA, m_uImageWidth, m_uImageHeight, m_uImageCount, 0,
14                 GL.GL_RGBA, GL.GL_UNSIGNED_BYTE, pRGBABuffer.Header);
15             GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, 0);

 

 

1D纹理是若干个点排成一排的一个线段。2D纹理是若干个1D纹理那样的线段排成的一个矩形。3D纹理是若干个2D纹理排成的一个长方体。如果理解了2D纹理，就可以推论到3D纹理上了。

 

Legacy OpenGL如何调用3D纹理渲染体数据？

OpenGL是不管什么体数据、volume rendering之类的，它只知道你设定了一个3D纹理，然后使用了这个纹理。

 

 1             GL.Clear(GL.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
 2 
 3             GL.Enable(GL.GL_ALPHA_TEST);
 4             GL.AlphaFunc(GL.GL_GREATER, alphaThreshold);
 5 
 6             GL.Enable(GL.GL_BLEND);
 7             GL.BlendFunc(GL.GL_SRC_ALPHA, GL.GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
 8 
 9             GL.MatrixMode(GL.GL_TEXTURE);
10             GL.LoadIdentity();
11 
12             GL.Enable(GL.GL_TEXTURE_3D);
13             GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, m_pRawDataProc.GetTexture3D());
14             for (float fIndx = -1; fIndx <= 1; fIndx += 0.01f)
15             {
16                 GL.Begin(GL.GL_QUADS);
17 
18                 GL.TexCoord3f(0.0f, 0.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
19                 GL.Vertex3f(-dOrthoSize, -dOrthoSize, fIndx);
20 
21                 GL.TexCoord3f(1.0f, 0.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
22                 GL.Vertex3f(dOrthoSize, -dOrthoSize, fIndx);
23 
24                 GL.TexCoord3f(1.0f, 1.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
25                 GL.Vertex3f(dOrthoSize, dOrthoSize, fIndx);
26 
27                 GL.TexCoord3f(0.0f, 1.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
28                 GL.Vertex3f(-dOrthoSize, dOrthoSize, fIndx);
29 
30                 GL.End();
31             }
32             GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, 0);

 

 

Modern OpenGL如何调用3D纹理渲染体数据？

Modern OpenGL渲染一个最简单的三角形都是很繁琐的（好处是执行效率高）。这里正好整理一下这个过程，以后我打算做个GUI的向导，让计算机自动生成那些模式化的代码，既避免低级错误，又加快开发效率，还利于新手学习。

首先写出shader

为什么要先写shader？

因为shader虽小，五脏俱全，渲染一个模型所需的各路英雄都在里面露脸了。敲定了shader，之后就可以据此来逐步完成其他零散的部分。

最基本的2个shader

下面是用3D纹理渲染的vertex shader：

 1 #version 150 core
 2 
 3 in vec3 in_Position;
 4 in vec3 in_uv;
 5 out vec3 pass_uv;
 6 
 7 uniform mat4 MVP;
 8 
 9 void main(void) 
10 {
11     gl_Position = MVP * vec4(in_Position, 1.0);
12 
13     pass_uv = in_uv;
14 }

 

 

下面是用3D纹理渲染的fragment shader：

 

 1 #version 150 core
 2 
 3 out vec4 out_Color;
 4 in vec3 pass_uv;
 5 
 6 uniform sampler3D tex;
 7 
 8 void main(void) 
 9 {
10     vec4 color = texture(tex, pass_uv);
11     out_Color = color;
12 }

 

分析shader

shader敲定后，我们要从这里找到这样一些信息：

顶点属性

顶点属性都在vertex shader里。

这个例子中，有in_Position和in_uv两个属性。所以后面会有2个VBO。

其他

这个例子里还有一个' uniform sampler3D tex'，所以后面会有1个3D纹理。

 

总的来说，shader说的是如何渲染数据，它包含了数据和处理过程（即算法），所以在逻辑上是完整的。我们先写出shader，就可以以此为指导方针，创建VBO、纹理了。

然后初始化shader

这是比较固定的一个过程。在初始化过程中这个要靠前，因为其他部分是依赖它的。

 

 1         ShaderProgram InitializeShader()
 2         {    
 3             var vertexShaderSource = ManifestResourceLoader.LoadTextFile(@"VolumeRendering.DemoVolumeRendering01.vert");
 4             var fragmentShaderSource = ManifestResourceLoader.LoadTextFile(@"VolumeRendering.DemoVolumeRendering01.frag");
 5 
 6             var shaderProgram = new ShaderProgram();
 7             shaderProgram.Create(vertexShaderSource, fragmentShaderSource);
 8 
 9             shaderProgram.AssertValid();
10 
11             return shaderProgram;
12         }

 

然后初始化各个VBO

我们基于下面这几条规律，设计初始化VBO的过程。

VBO所需数据在CPU内存中指定，在初始化VBO时上传到GPU内存，此后CPU内存中的数据不再需要。 OpenGL提供的设置VBO的指令glBufferData(GLenum target,GLsizeiptr size,const GLvoid * data,GLenum usage);和void glVertexAttribPointer( GLuint index, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride,const GLvoid * pointer);没有任何业务逻辑上的含义，很容易出错，且难以调试。

 

我习惯的使用VBO的方式是这样的：

一个VBO只存放模型的一个顶点属性（例如只存放位置或只存放颜色）。这样能尽可能缩短一个VBO的长度，利于处理大量数据。 一个VBO里只有一种基本的图形对象（例如只有三角形或只有六面体）。这个图形对象用一个struct描述。在CPU内存中设置模型数据时，不用void*而是用具体的struct*类型来赋值。例如：   1 //创建位置VBO，并绑定到shader里的in_Position 2 VR01PositionBuffer positionBuffer = new VR01PositionBuffer(strin_Position); 3 //在CPU内存中申请VBO需要的内存空间（非托管数组） 4 positionBuffer.Alloc(zFrameCount); 5 //获取非托管数组的首地址，并转换为struct QuadPosition*类型 6 QuadPosition* array = (QuadPosition*)positionBuffer.FirstElement(); 7 //设定VBO里的数值 8 for (int i = 0; i < zFrameCount; i++) 9 { 10 array[i] = new QuadPosition( 11 new vec3(-xLength, -yLength, (float)i / (float)zFrameCount - 0.5f), 12 new vec3(xLength, -yLength, (float)i / (float)zFrameCount - 0.5f), 13 new vec3(xLength, yLength, (float)i / (float)zFrameCount - 0.5f), 14 new vec3(-xLength, yLength, (float)i / (float)zFrameCount - 0.5f) 15 ); 16 } 17 //上传VBO数据到GPU内存，并获取renderer（用于渲染）。此时VR01PositionBuffer positionBuffer已经不再需要。 18 this.positionBufferRenderer = positionBuffer.GetRenderer(); 19 //释放CPU内存（刚刚申请的非托管数组） 20 positionBuffer.Dispose();

 

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

初始化VAO

初始化VAO实际上就是把渲染过程执行一遍。

 

 

 1         public void Create(RenderEventArgs e, Shaders.ShaderProgram shaderProgram)
 2         {
 3             uint[] buffers = new uint[1];
 4             GL.GenVertexArrays(1, buffers);
 5 
 6             this.ID = buffers[0];
 7 
 8             this.Bind();
 9             foreach (var item in this.bufferRenderers)
10             {
11                 item.Render(e, shaderProgram);
12             }
13             this.Unbind();
14         }

 

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

遇到的问题

在legacy OpenGL里完全没有问题的渲染方式，换成modern OpenGL就出现问题了。

Volume rendering是需要开启blend的，这样才能画出半透明的效果。但是在modern OpenGL下，开启blend时，各个顶点的渲染顺序不同就会改变渲染出的结果。（legacy OpenGL则没有出现这个问题）

所以下一步需要对VBO里的顶点进行排序，使靠近camera的顶点先被渲染。