CSharpGL(49)试水OpenGL软实现
CSharpGL迎来了第49篇。本篇内容是用C#编写一个OpenGL的软实现。暂且将其命名为SoftGL。
目前已经实现了由Vertex Shader和Fragment Shader组成的Pipeline，其效果与显卡支持的OpenGL实现几乎相同。下图左是常规OpenGL渲染的结果，右是SoftGL渲染的结果。
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CSharpGL已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）
SoftGL也已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/SoftGL）
从使用者的角度开始
OpenGL的使用者就是OpenGL应用程序开发者（Dev）。
下面按其被执行的先后顺序陈列OpenGL相关的命令（只陈列最基本的命令）：
创建Device Context
用一个System.Windows.Forms.Control类型的对象即可。
最后会发现，这个Device Context的作用之一是为创建Render Context提供参数。目前在SoftGL中不需要这个参数。
创建Render Context
Render Context包含OpenGL的所有状态字段。例如，当Dev调用glLineWidth(float width);时，Render Context会记下这一width值，从而使之长期有效（直到下次调用glLineWidth(float width);来修改它）。
可能同时存在多个Render Context，每个都保存自己的lineWidth等字段。当使用静态的OpenGL函数static void glLineWidth(float width);时，它会首先找到当前的Render Context对象（详见后面的MakeCurrent(..)），然后让此对象执行真正的glLineWidth(float width);函数。
可见Render Context就是一个典型的class，其伪代码如下：
partial class SoftGLRenderContext:
{
private float lineWidth;
// .. other fields. public static void glLineWidth(float width)
{
SoftGLRenderContext obj = SoftGLRenderContext .GetCurrentContext();
if (obj != null) { obj.LineWidth(width); }
} private void LineWidth(float width)
{
this.lineWidth = width;
} // .. other OpenGL functions.
}
MakeCurrent(IntPtr dc, IntPtr rc);
函数static void MakeCurrent(IntPtr dc, IntPtr rc);不是OpenGL函数。它的作用是指定当前线程(Thread)与哪个Render Context对应，即在Dictionary<Thread, RenderContext>这一字典类型中记录下Thread与Render Context的对应关系。
当然，如果rc为IntPtr.Zero，就是要解除当前Thread与其Render Context的对应关系。
伪代码如下：
partial class SoftGLRenderContext
{
// Thread -> Binding Render Context Object.
static Dictionary<Thread, SoftGLRenderContext> threadContextDict = new Dictionary<Thread, SoftGLRenderContext>(); // Make specified renderContext the current one of current thread.
public static void MakeCurrent(IntPtr deviceContext, IntPtr renderContext)
{
var threadContextDict = SoftGLRenderContext.threadContextDict;
if (renderContext == IntPtr.Zero) // cancel current render context to current thread.
{
SoftGLRenderContext context = null; Thread thread = System.Threading.Thread.CurrentThread;
if (threadContextDict.TryGetValue(thread, out context))
{
threadContextDict.Remove(thread);
}
}
else // change current render context to current thread.
{
SoftGLRenderContext context = GetContextObj(renderContext);
if (context != null)
{
SoftGLRenderContext oldContext = GetCurrentContextObj();
if (oldContext != context)
{
Thread thread = Thread.CurrentThread;
if (oldContext != null) { threadContextDict.Remove(thread); }
threadContextDict.Add(thread, context);
context.DeviceContextHandle = deviceContext;
}
}
}
}
}
获取OpenGL函数指针
在CSharpGL.Windows项目中，我们可以通过Win32 API找到在opengl32.dll中的OpenGL函数指针，并将其转换为C#中的函数委托(Delegate)，从而可以像使用普通函数一样使用OpenGL函数。其伪代码如下：
public partial class WinGL : CSharpGL.GL
{
public override Delegate GetDelegateFor(string functionName, Type functionDeclaration)
{
Delegate del = null;
if (!extensionFunctions.TryGetValue(functionName, out del))
{
IntPtr proc = Win32.wglGetProcAddress(name);
if (proc != IntPtr.Zero)
{
// Get the delegate for the function pointer.
del = Marshal.GetDelegateForFunctionPointer(proc, functionDeclaration); // Add to the dictionary.
extensionFunctions.Add(functionName, del);
}
} return del;
} // Gets a proc address.
[DllImport("opengl32.dll", SetLastError = true)]
internal static extern IntPtr wglGetProcAddress(string name); // The set of extension functions.
static Dictionary<string, Delegate> extensionFunctions = new Dictionary<string, Delegate>();
}
此时我们想使用SoftGL，那么要相应地为其编写一个SoftGL.Windows项目。这个项目通过在类似opengl32.dll的SoftOpengl32项目（或者SoftOpengl32.dll）中查找函数的方式来找到我们自己实现的OpenGL函数。其伪代码如下：
partial class WinSoftGL : CSharpGL.GL
{
private static readonly Type thisType = typeof(SoftOpengl32.StaticCalls);
public override Delegate GetDelegateFor(string functionName, Type functionDeclaration)
{
Delegate result = null;
if (!extensionFunctions.TryGetValue(functionName, out result))
{
MethodInfo methodInfo = thisType.GetMethod(functionName, BindingFlags.Static | BindingFlags.Public);
if (methodInfo != null)
{
result = System.Delegate.CreateDelegate(functionDeclaration, methodInfo);
} if (result != null)
{
// Add to the dictionary.
extensionFunctions.Add(functionName, result);
}
} return result;
} // The set of extension functions.
static Dictionary<string, Delegate> extensionFunctions = new Dictionary<string, Delegate>();
}
可见只需通过C#和.NET提供的反射机制即可实现。在找到System.Delegate.CreateDelegate(..)这个方法时，我感觉到一种“完美”。
此时，我们应当注意到另一个涉及大局的问题，就是整个SoftGL的框架结构。
SoftGL项目本身的作用与显卡驱动中的OpenGL实现相同。操作系统（例如Windows）提供了一个opengl32.dll之类的方式来让Dev找到OpenGL函数指针，从而使用OpenGL。CSharpGL项目是对OpenGL的封装，具体地讲，是对OpenGL的函数声明的封装，它不包含对OpenGL的实现、初始化等功能。这些功能是在CSharpGL.Windows中实现的。Dev通过引用CSharpGL项目和CSharpGL.Windows项目就可以直接使用OpenGL了。
如果不使用显卡中的OpenGL实现，而是换做SoftGL，那么这一切就要相应地变化。SoftOpengl32项目代替操作系统的opengl32.dll。CSharpGL保持不变。SoftGL.Windows代替CSharpGL.Windows。Dev通过引用CSharpGL项目和SoftGL.Windows项目就可以直接使用软实现的OpenGL了。
最重要的是，这样保证了应用程序的代码不需任何改变，应用程序只需将对CSharpGL.Windows的引用修改为对SoftGL.Windows的引用即可。真的。
创建ShaderProgram和Shader
根据OpenGL命令，可以推测一种可能的创建和删除ShaderProgram对象的方式，伪代码如下：
partial class SoftGLRenderContext
{
private uint nextShaderProgramName = ; // name -> ShaderProgram object
Dictionary<uint, ShaderProgram> nameShaderProgramDict = new Dictionary<uint, ShaderProgram>(); private ShaderProgram currentShaderProgram = null; public static uint glCreateProgram() // OpenGL functions.
{
uint id = ;
SoftGLRenderContext context = ContextManager.GetCurrentContextObj();
if (context != null)
{
id = context.CreateProgram();
} return id;
} private uint CreateProgram()
{
uint name = nextShaderProgramName;
var program = new ShaderProgram(name); //create object.
this.nameShaderProgramDict.Add(name, program); // bind name and object.
nextShaderProgramName++; // prepare for next name. return name;
} public static void glDeleteProgram(uint program)
{
SoftGLRenderContext context = ContextManager.GetCurrentContextObj();
if (context != null)
{
context.DeleteProgram(program);
}
} private void DeleteProgram(uint program)
{
Dictionary<uint, ShaderProgram> dict = this.nameShaderProgramDict;
if (!dict.ContainsKey(program)) { SetLastError(ErrorCode.InvalidValue); return; } dict.Remove(program);
}
}
创建ShaderProgram对象的逻辑很简单，首先找到当前的Render Context对象，然后让它创建一个ShaderProgram对象，并使之与一个name绑定（记录到一个Dictionary<uint, ShaderProgram>字典类型的字段中）。删除ShaderProgram对象的逻辑也很简单，首先判断参数是否合法，然后将字典中的ShaderProgram对象删除即可。
OpenGL中的很多对象都遵循这样的创建模式，例如Shader、Buffer、VertexArrayObject、Framebuffer、Renderbuffer、Texture等。
ShaderProgram是一个大块头的类型，它要处理很多和GLSL Shader相关的东西。到时候再具体说。
创建VertexBuffer、IndexBuffer和VertexArrayObject
参见创建ShaderProgram对象的方式。要注意的是，这些类型的创建分2步。第一步是调用glGen*(int count, uint[] names);，此时只为其分配了name，没有创建对象。第二步是首次调用glBind*(uint target, uint name);，此时才会真正创建对象。我猜这是早期的函数接口，所以用了这么啰嗦的方式。
对顶点属性进行设置
一个顶点缓存对象(GLBuffer)实际上是一个字节数组(byte[])。它里面保存的，可能是顶点的位置属性(vec3[])，可能是顶点的纹理坐标属性(vec2[])，可能是顶点的密度属性(float[])，可能是顶点的法线属性(vec3[])，还可能是这些属性的某种组合（如一个位置属性+一个纹理坐标属性这样的轮流出现）。OpenGL函数glVertexAttribPointer(uint index, int size, uint type, bool normalized, int stride, IntPtr pointer)的作用就是描述顶点缓存对象保存的是什么，是如何保存的。
glClear(uint mask)
每次渲染场景前，都应清空画布，即用glClear(uint mask);清空指定的缓存。
OpenGL函数glClearColor(float r, float g, float b, float a);用于指定将画布清空为什么颜色。这是十分简单的，只需设置Render Context中的一个字段即可。
需要清空颜色缓存(GL_COLOR_BUFFER_BIT)时，实际上是将当前Framebuffer对象上的颜色缓存设置为指定的颜色。需要清空深度缓存(GL_DEPTH_BUFFER_BIT)或模板缓存(GL_STENCIL_BUFFER_BIT)时，实际上也是将当前Framebuffer对象上的深度缓存或模板缓存设置为指定的值。
所以，为了实现glClear(uint mask)函数，必须将Framebuffer和各类缓存都准备好。
Framebuffer中的各种缓存都可以简单的用一个Renderbuffer对象充当。一个Renderbuffer对象实际上也是一个字节数组(byte[])，只不过它还用额外的字段记录了自己的数据格式（GL_RGBA等）等信息。纹理(Texture)对象里的各个Image也可以充当Framebuffer中的各种缓存。所以Image是和Renderbuffer类似的东西，或者说，它们支持同一个接口IAttachable。
interface IAttachable
{
uint Format { get; } // buffer’s format
int Width { get; } // buffer’s width.
int Height { get; } // buffer’s height.
byte[] DataStore { get; } // buffer data.
}
这里就涉及到对与byte[]这样的数组与各种其他类型的数组（例如描述位置的vec3[]）相互赋值的问题。一般，可以用下面的方式解决：
byte[] bytes = ...
this.pin = GCHandle.Alloc(bytes, GCHandleType.Pinned);
IntPtr pointer = this.pin.AddrOfPinnedObject();
var array = (vec3*)pointer.ToPointer();
for (in i = ; i< ...; i++) {
array[i] = ...
}
只要能将数组转换为 void* 类型，就没有什么做不到的了。
glGetIntegerv(uint target, int[] values)
这个十分简单。一个大大的switch语句。
设置Viewport
设置viewport本身是十分简单的，与设置lineWidth类似。但是，在一个Render Context对象被首次MakeCurrent()到一个线程时，要将Device Context的Width和Height赋值给viewport。这个有点麻烦。