🕹️OpenGL丨延迟渲染&帧缓冲 - 皮肤渲染(2)

by ERIN.Z, 2022-11-15

帧缓冲 Framebuffer

帧缓冲有点类似于引擎中的渲染目标Render Target，可以让用户自定义颜色缓冲、深度缓冲和模板缓冲。在默认的设置状况下，我们的渲染操作都是在默认帧缓冲的渲染缓冲上进行的，GLFW帮我们配置好了这个环境，即glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0)。

我们可以通过glGenFramebuffers()来创建自己的帧缓冲，同纹理等一样，创建后要绑定到当前目标GL_FRAMEBUFFER来对它进行接下来的操作。

通过if(glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER) == GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE)可以检查帧缓冲是否完整可用。那么如何确定一个帧缓冲是完整的呢？

附加至少一个缓冲（颜色、深度或模板缓冲）。
至少有一个颜色附件(Attachment)。
所有的附件都必须是完整的（保留了内存）。
每个缓冲都应该有相同的样本数。

附件 Attachment

附件是一个内存位置，它能够作为帧缓冲的一个缓冲。附件有两种类型：纹理(Texture)或渲染缓冲对象(RenderbufferObject).

纹理附件 Texture as Attachment

创建纹理附件的方式和创建纹理基本相同，注意在data参数传入NULL，即可在创建时仅分配内存，后序渲染时再写入数据。创建后要将其附加到帧缓冲：

unsigned int texture;
glGenTextures(1, &texture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, 800, 600, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, texture, 0);

如果是深度缓冲，类型和格式应该设置为GL_DEPTH_ATTACHMENT和GL_DEPTH_COMPONENT. 具体参数可以参考LearnOpenGL中的教程。

渲染缓冲对象附件 Renderbuffer Object as Attachment

渲染缓冲对象的数据储存是OpenGL原生的渲染格式，它是只写的，只能通过glReadPixels()来读取。它在写入或复制数据到其他缓冲时是更快的，如果不需要采样（如深度和模板），可以选择渲染缓冲对象来进行优化。

怎么选呢？举个栗子

如果希望结合延迟渲染和前向渲染，在前向渲染时需要获取先前的深度值以便深度测试，就适合用Renderbuffer Object来传递深度值。但在阴影计算中，我们需要用纹理坐标对灯光空间的深度图进行采样，就适合用Texture来传递深度值。

渲染到纹理

当进行后处理或延迟缓冲时，我们需要渲染到纹理，再对渲染纹理采样。这个步骤在OpenGL中是这样的：

[Pass 1]

将新的帧缓冲绑定为激活的帧缓冲
和往常一样渲染场景 [Pass 2]
绑定默认的帧缓冲
绘制一个横跨整个屏幕的四边形，将帧缓冲的颜色缓冲作为它的纹理。

我们需要为Pass2单独准备一套后处理的Shader，可以搬这个轮子：

VertexShader：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec2 aPos;
layout (location = 1) in vec2 aTexCoords;

out vec2 TexCoords;

void main()
{
    TexCoords = aTexCoords;
    gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, 0.0, 1.0); 
}

FragmentShader：

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec2 TexCoords;

uniform sampler2D screenTexture;

void main()
{
    vec3 col = texture(screenTexture, TexCoords).rgb;
    //some post process operations HERE
    FragColor = vec4(col, 1.0);
}

绘制全屏四边形：

// renderQuad() renders a 1x1 XY quad in NDC
// -----------------------------------------
unsigned int quadVAO = 0;
unsigned int quadVBO;
void renderQuad()
{
    if (quadVAO == 0)
    {
        float quadVertices[] = {
            // positions        // texture Coords
            -1.0f,  1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
            -1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
             1.0f,  1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f,
             1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
        };
        // setup plane VAO
        glGenVertexArrays(1, &quadVAO);
        glGenBuffers(1, &quadVBO);
        glBindVertexArray(quadVAO);
        glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, quadVBO);
        glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(quadVertices), &quadVertices, GL_STATIC_DRAW);
        glEnableVertexAttribArray(0);
        glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)0);
        glEnableVertexAttribArray(1);
        glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
    }
    glBindVertexArray(quadVAO);
    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, 4);
    glBindVertexArray(0);
}

*** 延迟渲染延迟渲染主要适用于场景中含有大量光源的情况，原理和优缺点就不详细说了，主要关注一下OpenGL中的实现。首先为延迟渲染创建一个帧缓冲GBuffer，需要准备两个高精度纹理(16位，GL_RGB16F)来储存位置和法向量，然后用一个或多个默认的纹理(8位，GL_RGBA)来存储其他材质纹理信息(albedo/roughness等)。纹理创建后分别绑定到GL_COLOR_ATTACHMENT0/1/2，并通过glDrawBuffers()命令告知那些颜色附件要被写入——

GLuint attachments[3] = { GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_COLOR_ATTACHMENT1, GL_COLOR_ATTACHMENT2 };
glDrawBuffers(3, attachments);

由于多个颜色缓冲需要被写入，我们在Geometry Pass的片元着色器中也需要做这样的声明：

#version 330 core
layout (location = 0) out vec3 gPosition;
layout (location = 1) out vec3 gNormal;
layout (location = 2) out vec4 gAlbedoSpec;

注意，这里就不需要常规的out FragColor了~

在延迟光照时，将gPosition、gNormal、gAlbeldoSpec设置为纹理采样即可。完整的代码可以在这里找到。

完成的延迟渲染应该是和之前前向渲染没有太大区别的，因为我们光源很少，所以对性能的影响差别也不大。下一节正式开始SSS!

by ERIN.Z