OpenGL Framebuffer Object (FBO)

在OpenGL中， OpenGL Context有一个默认的FBO用来绘制图像, 但是我们也可以创建新的用户定义的Framebuffers, 这样我们可以绘制到自定义的framebuffer, 而不会影响到窗口系统。

关键词定义

• Image: 本文中， Image是包含像素的二维数组，这些像素具有特定的存储格式。
• Layered Image: 具有某一特定尺寸和格式的一套images, 对应于texture的某一个mipmap level. （注意 layered image不是一个人在战斗，而是一整套的images！）
• Texture: 表示一系列的images的集合。所有的image具有相同的格式， 但是尺寸不一样(不同的mipmap level). Texture 可以绑定(bind)到 shaders.
• Renderbuffer: 包含一个image, 不可以绑定(bind)到shaders, 只能附着(attach)到FBO.
• Framebuffer-attachable image: 可附着到FBO的image
• Framebuffer-attachable layered image: 可附着到FBO的layered image.
• Attachment point: FBO中一个署名的附着点，可用来附着(attach) framebuffer-attachable image 和 framebuffer-attachable layered image. 对于附着(attach)的image,要求具有特定的格式。
• Attach: 附着是表示将两个物体连系起来， 和绑定(bind) 是不一样的。 一个物体被绑定(bind)到context, 但是物体与物体则是相互附着（attach).

绑定FBO

和其它 OpenGL object一样，FBO有以下的相关函数：

void glGenFramebuffers(GLsizei n, GLuint* framebuffers);
void glDeleteFramebuffers(GLsizei n, GLuint* framebuffers);
void glBindFramebuffer(GLenum target, GLuint framebuffer);

• 其中的target参数可以是：

  • GL_FRAMEBUFFER
  • GL_READ_FRAMEBUFFER
  • GL_DRAW_FRAMEBUFFER

  GL_READ_FRAMEBUFFER：当target设置为GL_READ_FRAMEBUFFER时， framebuffer参数所指代的FBO变成读操作的目标，如glReadPixels, glCopyTexImage2D, glCopyTexSubImage2D.
  GL_DRAW_FRAMEBUFFER: 当target 设置为 GL_DRAW_FRAMEBUFFER是, framebuffer指代的FBO变成绘制操作的目标， 如glDrawArrays, glDrawElements等等。
  GL_FRAMEBUFFER: 此时读操作和绘制操作都在此FBO上进行。

• 参数 framebuffer
framebuffer的值是一个非负整数，0预留给由窗口系统提供的默认FBO. 当将参数设置为0时，目标还原到初始状态，即窗口系统提供的默认FBO.

一个FBO绑定到OpenGL context会一直有效，直到另一个FBO被绑定或者glDeleteFramebuffers被调用。

FBO attachment point

FBO有下列attachment points:

• GL_COLOR_ATTACHMENTi: attachment points的数量跟实现相关， 最少需要8个， 所以i 至少可以取0-7范围以内的值， 附着的image必须具有可绘制的格式(color-renderable formats). 所有压缩格式都是不可绘制的，因此不可以附着到FBO.
• GL_DEPTH_ATTACHMENT:只能附着具有depth格式的image, 附着的image被称为FBO的depth buffer.
• GL_STENCIL_ATTACHMENT:只能附着具有stencil格式的image, 附着的image被称为FBO的stencil buffer.
• GL_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT:附着的image既是FBO的depth buffer 又是 stencil buffer. 被附着的image格式应该是a packed depth-stencil internal format.

texture 类型简要回顾

• 1D texture
  1D texture可以看成包含的image的高度为1

• 2D texture
  2D texture是最好理解的了，包含2D image

• 3D texture
  3D texture的每一个mipmap level就包含一套2D image. 如果用xy来表示image 平面，那么z 轴就是表示image的数量的维度，每一个整数就表示一个layered image. 因此，3D texture 中的每一张image都可以通过一个mipmap level 和一个 layer定位。

• cubemap
  包含一个立方体的六个平面，因此cubemap包含6张image, 因此每一张image可以通过mipmap level和平面定位。

• 1D array texture
  每一个mipmap level包含一套2D image(高度为1)，数量等于数组的维度， 每一张image由一个mipmap level 和数组索性(array index) 定位。

• 2D array texture
  和3D texture类似， 只要将z的值换成数组索引就可以。 每一张image 可以通过一个 mipmap level 和一个数组索引定位。 不同的是，数组大小不会随着mipmap层次的下降而改变。

• Buffer texture
  类似于1D texture, 只是它只包含一张image, 可以通过mipmap level 0 表示。

Attaching texture image

当我们需要将texture内部的某一张image 附着到FBO时，我们可以使用以下方法：

void glFramebufferTexture1D(GLenum target,
                            GLenum attachment,
                            GLenum textarget, 
                            GLuint texture,
                            GLint level);

void glFramebufferTexture2D(GLenum target, 
                            GLenum attachment,
                            GLenum textarget, 
                            GLuint texture, 
                            GLint level);

 void glFramebufferTextureLayer(GLenum target, 
                            GLeunm attachment,
                            GLuint texture,
                            GLint level, 
                            GLint layer);                                                 

• target 参数和glBindFramebuffer一样，但是这里GL_FRAMEBUFFER和GL_DRAW_FRAMEBUFFER等同。
• attachment 参数则是上面提到的attachment point.
• textarget 当attach 非cubemap时， textarget 可以是 GL_TEXTURE_1D, GL_TEXTURE_2D_MULTISAMPLE 等等， 当attach的是cubemap, 必须使用glFramebufferTexture2D函数， textarget 必须是GL_TEXTURE_CUBE_MAP_POSITIVE_X/Y/Z, GL_TEXTURE_CUBE_MAP_NEGATIVE_X/Y/Z.
• texture 参数是需要附着的texture 名称， 当texture 为 0时， 表示解除该attachment point的附着物。

注意，由于texture具有多个image, 因此必须明确指定需要attach的image.

Attaching renderbuffers

在创建好renderbuffer之后，你就可以将它attach到FBO:

void glFramebufferRenderbuffer(GLenum target, 
                               GLenum attachment,
                               GLenum renderbuffertarget,
                               GLuint renderbuffer);

• renderbuffertarget 必须是 GL_RENDERBUFFER
• renderbuffer: renderbuffer object name

Attaching layered image

上面讲了layered image对应于texture的某个mipmap level上的所有images, 当然像1D texture, 2D texture, 它们一个mipmap level 上只有一张image, 但是像 3D texture, 2D array texture, cubemap等等，一个mipmap level上面可是有很多的images的。 我们可以将整个mipmap level附着到某一个attachment point:

void glFramebufferTexture(GLenum target, 
                          GLenum attachment,
                          GLuint texture,
                          GLint level);

Framebuffer completeness

每一个attachment point都要求附着到它上面的image具有特定的格式， 但是当你将一个不符合要求的image 附着上来，并不会马上产生错误信息，而是要等到你使用FBO的时候错误才会显现出来。 当然除了image格式不符合要求， image的尺寸也有可能不符合条件， 因此， 我们需要一些手段来帮助我们检查FBO的完整度。

一个有效的FBO被称为”完整的Framebuffer” (“framebuffer complete”),检查FBO完整度，可以调用：

GLenum glCheckFramebufferStatus(GLenum target);

调用它并不是必需的，但是使用一个非完整的FBO会产生错误，因此在使用前检查FBO的完整度是一个好的习惯。当FBO完整时返回值是 GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE, 否则就有问题。

Framebuffer blits

Framebuffer blits 可以高效的将一个framebuffer（GL_READ_FRAMEBUFFER)的某块矩形区域拷贝到另外一个framebuffer(GL_DRAW_FRAMEBUFFER).

void glBlitFramebuffer(GLint srcX0, GLint srcY0, GLint srcX1, GLint srcY1, 
                       GLint dstX0, GLint dstY0, GLint dstX1, GLint dstY1, 
                       GLbitfield mask, GLenum filter);

• srcX0, srcY0, srcX1, srcY1: 指定GL_READ_FRAMEBUFFER的源矩形区域。
• dstX0, dstY0, dstX1, dstY1: 指定GL_DRAW_FRAMEBUFFER的目标矩形区域。
• mask: 指定拷贝操作的按位‘或’掩码， GL_COLOR_BUFFER_BIT, GL_DEPTH_BUFFER_BIT, GL_STENCIL_BUFFER_BIT, GL_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT.
• filter: 当拷贝需要缩放时， 指定插值算法，GL_NEAREST 或 GL_LINEAR.

我们注意到mask掩码有一个GL_COLOR_BUFFER_BIT,但是我们FBO的color buffer attachment point却是多个， 到底拷贝哪个buffer,抑或是拷贝所有的color buffers? 答案是只拷贝一个buffer, 默认值在single-buffer configuration时 是 GL_FRONT, 在double-buffer configuration时 是 GL_BACK.

那么假如我们的GL_READ_FRAMEBUFFER是一个自定义FBO,显然我们必须要指定目标color buffer,这时我们使用函数：

void glReadBuffer(GLenum mode);

• mode: GL_FRONT_LEFT, GL_FRONT_RIGHT, GL_BACK_LEFT, GL_BACK_RIGHT, GL_FRONT, GL_BACK, GL_LEFT, GL_RIGHT, GL_COLOR_ATTACHMENTi.

glReadBuffer隐式的指定GL_READ_FRAMEBUFFER的color buffer, OpenGL还提供另外一个函数来显示的指定FBO:

void glNamedFramebufferReadBuffer( GLuint framebuffer, GLenum mode);

除了影响glBlitFramebuffer， glReadBuffer还影响所有的可从color buffer 读数据的操作， 比如：glReadPixels, glCopyTexImage1D, glCopyTexImage2D, glCopyTexSubImage1D, glCopyTexSubImage2D, glCopyTextSubImage3D …