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学习OpenGL ES之渲染到纹理

本文所用的代码在https://github.com/SquarePants1991/OpenGLESLearn.git的chapter20分支中。

本文将介绍渲染到纹理技术。之前的例子都是将3D物体渲染到屏幕上，在iOS中GLKView为我们做好了渲染到屏幕的所有准备工作，我们只需要调用Open GL ES的绘制方法就可以轻松的渲染到屏幕。那么我们接下来了解一下GLKView为我们做了哪些准备工作。

FrameBuffer

FrameBuffer是OpenGL ES中重要基础组件之一，经常被缩写成FBO（FrameBufferObject），它用来承载GPU计算出来的数据，包括颜色（Color），深度（Depth），遮罩（Stencil）。FrameBuffer包括3个缓冲区，颜色缓冲区，深度缓冲区，遮罩缓冲区，每个缓冲区就是一块内存，存储着对应的像素数据。比如颜色缓冲区，一般像素格式都是RGBA，一共4个字节，如果是一个大小1024乘以1024的FrameBuffer，那么颜色缓冲区所占的内存就是1024x1024x4个字节。深度和遮罩缓冲区也有自己的格式。GLKView默认为我们创建了一个FrameBuffer，并且绑定了刚才说的3个缓冲区到这个FrameBuffer上。我们所有绘制的操作，最终都被写入到这个FrameBuffer的缓冲区中。这个FrameBuffer里的颜色缓冲区的数据最终会被呈现在GLKView上。

手动创建FrameBuffer

既然GLKView可以帮我们创建FrameBuffer，那么我们自己是不是也可以手动创建FrameBuffer呢？自然是可以的。创建FrameBuffer分为下面几个步骤。

创建FrameBuffer对象，并绑定到GL_FRAMEBUFFER上，等待后续处理。

glGenFramebuffers(1, &framebuffer);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, framebuffer);

生成颜色缓冲区并附加到FrameBuffer上。这里我们使用一个纹理对象作为颜色缓冲区，这意味着所有绘制到FrameBuffer的颜色数据都会存储到framebufferColorTexture中。更酷的是我们可以把这个纹理framebufferColorTexture当做贴图使用，比如用作漫反射贴图（diffuseMap）。

glGenTextures(1, &framebufferColorTexture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, framebufferColorTexture);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, framebufferSize.width, framebufferSize.height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(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);
glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, framebufferColorTexture, 0);

生成深度缓冲区并附加到framebuffer上。这里我们同样使用了纹理对象作为缓冲区。

glGenTextures(1, &framebufferDepthTexture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, framebufferDepthTexture);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, framebufferSize.width, framebufferSize.height, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_UNSIGNED_INT, NULL);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(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);
glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT
                     , GL_TEXTURE_2D, framebufferDepthTexture, 0);

本例使用的是OpenGL ES2 API，如果使用OpenGL ES3，GL_DEPTH_COMPONENT需要修改成GL_DEPTH_COMPONENT_OES。glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH_COMPONENT_OES, framebufferSize.width, framebufferSize.height, 0, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_UNSIGNED_INT, NULL);，修改第一个，第二个不需要修改。

如果你不需要使用纹理作为深度缓冲区，可以使用下面的写法替代。创建一个RenderBuffer，而不是Texture。

GLuint depthBufferID;
glGenRenderbuffers(1, &depthBufferID);
glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, depthBufferID);
glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH_COMPONENT16, framebufferSize.width, framebufferSize.height);
glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, depthBufferID);

本文不会使用遮罩（Stencil）缓冲区，所以这里不做详细介绍。

检查FrameBuffer的创建状态。

GLenum status = glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER);
if (status != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE) {
  // framebuffer生成失败
}

如果状态不是GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE，就说明创建有问题。可以根据status排查问题。

使用FrameBuffer

接下来我们就要在创建好的FrameBuffer上绘制物体了。步骤很简单，绑定FrameBuffer，设置Viewport，绘制。

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, framebuffer);
glViewport(0, 0, self.framebufferSize.width, self.framebufferSize.height);
glClearColor(0.8, 0.8, 0.8, 1);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
self.projectionMatrix = GLKMatrix4MakePerspective(GLKMathDegreesToRadians(90), self.framebufferSize.width / self.framebufferSize.height, 0.1, 1000.0);
self.cameraMatrix = GLKMatrix4MakeLookAt(0, 1, sin(self.elapsedTime) * 5.0 + 9.0, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
[self drawObjects];

Viewport是绘制区域的大小，我们把Viewport设置为FrameBuffer的尺寸，这样绘制区域就可以撑满整个FrameBuffer了。我还设置了新的clearColor，新的投影矩阵，观察矩阵，这样就可以在FrameBuffer中呈现出不一样的绘制效果。[self drawObjects];里简单的封装了之前3D物体的绘制。

- (void)drawObjects {
    [self.objects enumerateObjectsUsingBlock:^(GLObject *obj, NSUInteger idx, BOOL *stop) {
        [obj.context active];
        [obj.context setUniform1f:@"elapsedTime" value:(GLfloat)self.elapsedTime];
        [obj.context setUniformMatrix4fv:@"projectionMatrix" value:self.projectionMatrix];
        [obj.context setUniformMatrix4fv:@"cameraMatrix" value:self.cameraMatrix];
        [obj.context setUniform3fv:@"eyePosition" value:self.eyePosition];
        [obj.context setUniform3fv:@"light.position" value:self.light.position];
        [obj.context setUniform3fv:@"light.color" value:self.light.color];
        [obj.context setUniform1f:@"light.indensity" value:self.light.indensity];
        [obj.context setUniform1f:@"light.ambientIndensity" value:self.light.ambientIndensity];
        [obj.context setUniform3fv:@"material.diffuseColor" value:self.material.diffuseColor];
        [obj.context setUniform3fv:@"material.ambientColor" value:self.material.ambientColor];
        [obj.context setUniform3fv:@"material.specularColor" value:self.material.specularColor];
        [obj.context setUniform1f:@"material.smoothness" value:self.material.smoothness];

        [obj.context setUniform1i:@"useNormalMap" value:self.useNormalMap];

        [obj draw:obj.context];
    }];
}

使用FrameBuffer的颜色缓冲区纹理

经过上面的步骤，我们成功的在FrameBuffer上进行了绘制。此时颜色缓冲区纹理已经存储了刚刚的绘制结果。接下来我们将这个纹理显示在一个平面上。Plane类绘制了一个1x1面朝z轴正方向的平面，并且接受一个diffuseMap作为漫反射贴图。我为它单独写了一个非常简单的Fragment Shader （frag_framebuffer_plane.glsl），没有光照处理，直接显示diffuseMap的像素。

precision highp float;

varying vec2 fragUV;

uniform sampler2D diffuseMap;

void main(void) {
    gl_FragColor = texture2D(diffuseMap, fragUV);
}

下面的代码将绘制3D物体和一个用来显示FrameBuffer颜色缓冲区纹理的平面。

[view bindDrawable];
glClearColor(0.7, 0.7, 0.7, 1);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
float aspect = self.view.frame.size.width / self.view.frame.size.height;
self.projectionMatrix = GLKMatrix4MakePerspective(GLKMathDegreesToRadians(90), aspect, 0.1, 1000.0);
self.cameraMatrix = GLKMatrix4MakeLookAt(0, 1, 6.5, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
[self drawObjects];
[self drawPlane];

[view bindDrawable];将GLKView生成的FrameBuffer绑定到GL_FRAMEBUFFER，并设置好Viewport，这样后面绘制的内容将呈现在GLKView上。接着重新设置投影矩阵和观察矩阵。绘制3D物体[self drawObjects];。绘制平面[self drawPlane];。值得一提的是，绘制平面时，我使用了正交投影矩阵，这样平面就不会有透视效果，这正是我想要的。

- (void)drawPlane {
    [self.displayFramebufferPlane.context active];
    [self.displayFramebufferPlane.context setUniformMatrix4fv:@"projectionMatrix" value:self.planeProjectionMatrix];
    [self.displayFramebufferPlane.context setUniformMatrix4fv:@"cameraMatrix" value:GLKMatrix4Identity];
    [self.displayFramebufferPlane draw:self.displayFramebufferPlane.context];
}

planeProjectionMatrix就是平面的正交投影矩阵，在createPlane中被设置，Plane使用了新的GLContext，由vertex.glsl和frag_framebuffer_plane.glsl组成。framebufferColorTexture颜色缓冲区纹理在Plane初始化时被传递进去。这里的纹理对象使用的GLuint类型的，相当于GLKTextureInfo的name属性，是OpenGL ES原始的纹理对象。

- (void)createPlane {
    NSString *vertexShaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"vertex" ofType:@".glsl"];
    NSString *fragmentShaderPath = [[NSBundle mainBundle] pathForResource:@"frag_framebuffer_plane" ofType:@".glsl"];
    GLContext *displayFramebufferPlaneContext = [GLContext contextWithVertexShaderPath:vertexShaderPath fragmentShaderPath:fragmentShaderPath];
    self.displayFramebufferPlane = [[Plane alloc] initWithGLContext:displayFramebufferPlaneContext texture:framebufferColorTexture];
    self.displayFramebufferPlane.modelMatrix = GLKMatrix4Identity;
    self.planeProjectionMatrix = GLKMatrix4MakeOrtho(-2.5, 0.5, -4.5, 0.5, -100, 100);
}

至于Plane的实现代码很简单，读者可以自行clone代码查看。

最终效果

学习OpenGL ES之渲染到纹理