CSharpGL(8)使用3D纹理渲染体数据 (Volume Rendering) 初探
2016-08-13
由于CSharpGL一直在更新，现在这个教程已经不适用最新的代码了。CSharpGL源码中包含10多个独立的Demo，更适合入门参考。
为了尽可能提升渲染效率，CSharpGL是面向Shader的，因此稍有难度。
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
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。
// generate texture.
{
// Lock the image bits (so that we can pass them to OGL).
BitmapData bitmapData = targetImage.LockBits(new Rectangle(, , targetImage.Width, targetImage.Height),
ImageLockMode.ReadOnly, PixelFormat.Format32bppArgb);
//GL.ActiveTexture(GL.GL_TEXTURE0);
GL.GenTextures(, texture);
GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_2D, texture[]);
GL.TexImage2D(GL.GL_TEXTURE_2D, , (int)GL.GL_RGBA,
targetImage.Width, targetImage.Height, , GL.GL_BGRA, GL.GL_UNSIGNED_BYTE,
bitmapData.Scan0);
// Unlock the image.
targetImage.UnlockBits(bitmapData);
/* We require 1 byte alignment when uploading texture data */
//GL.PixelStorei(GL.GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);
/* Clamping to edges is important to prevent artifacts when scaling */
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_S, (int)GL.GL_CLAMP_TO_EDGE);
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_T, (int)GL.GL_CLAMP_TO_EDGE);
/* Linear filtering usually looks best for text */
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
}
类似地可以用GL.TexImage3D(GL.GL_TEXTURE_3D来设置一个3D纹理。
GL.GenTextures(, m_nTexId);
GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, m_nTexId[]);
GL.TexEnvi(GL.GL_TEXTURE_ENV, GL.GL_TEXTURE_ENV_MODE, (int)GL.GL_REPLACE);
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_S, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_T, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_R, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
//uint target, int level, int internalformat, int width, int height, int depth, int border, uint format, uint type, IntPtr pixels)
GL.TexImage3D(GL.GL_TEXTURE_3D, , (int)GL.GL_RGBA, m_uImageWidth, m_uImageHeight, m_uImageCount, ,
GL.GL_RGBA, GL.GL_UNSIGNED_BYTE, pRGBABuffer.Header);
GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, );
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。
GL.Clear(GL.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
GL.Enable(GL.GL_ALPHA_TEST);
GL.AlphaFunc(GL.GL_GREATER, alphaThreshold);
GL.Enable(GL.GL_BLEND);
GL.BlendFunc(GL.GL_SRC_ALPHA, GL.GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);
GL.MatrixMode(GL.GL_TEXTURE);
GL.LoadIdentity();
GL.Enable(GL.GL_TEXTURE_3D);
GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, m_pRawDataProc.GetTexture3D());
for (float fIndx = -; fIndx <= ; fIndx += 0.01f)
{
GL.Begin(GL.GL_QUADS);
GL.TexCoord3f(0.0f, 0.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
GL.Vertex3f(-dOrthoSize, -dOrthoSize, fIndx);
GL.TexCoord3f(1.0f, 0.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
GL.Vertex3f(dOrthoSize, -dOrthoSize, fIndx);
GL.TexCoord3f(1.0f, 1.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
GL.Vertex3f(dOrthoSize, dOrthoSize, fIndx);
GL.TexCoord3f(0.0f, 1.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
GL.Vertex3f(-dOrthoSize, dOrthoSize, fIndx);
GL.End();
}
GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, );
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：
#version core in vec3 in_Position;
in vec3 in_uv;
out vec3 pass_uv; uniform mat4 MVP; void main(void)
{
gl_Position = MVP * vec4(in_Position, 1.0); pass_uv = in_uv;
}
下面是用3D纹理渲染的fragment shader：
#version core out vec4 out_Color;
in vec3 pass_uv; uniform sampler3D tex; void main(void)
{
vec4 color = texture(tex, pass_uv);
out_Color = color;
}
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。
ShaderProgram InitializeShader()
{
var vertexShaderSource = ManifestResourceLoader.LoadTextFile(@"VolumeRendering.DemoVolumeRendering01.vert");
var fragmentShaderSource = ManifestResourceLoader.LoadTextFile(@"VolumeRendering.DemoVolumeRendering01.frag"); var shaderProgram = new ShaderProgram();
shaderProgram.Create(vertexShaderSource, fragmentShaderSource); shaderProgram.AssertValid(); return shaderProgram;
}
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： //创建位置VBO，并绑定到shader里的in_Position |
初始化VAO
初始化VAO实际上就是把渲染过程执行一遍。
public void Create(RenderEventArgs e, Shaders.ShaderProgram shaderProgram)
{
uint[] buffers = new uint[];
GL.GenVertexArrays(, buffers); this.ID = buffers[]; this.Bind();
foreach (var item in this.bufferRenderers)
{
item.Render(e, shaderProgram);
}
this.Unbind();
}
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，使远离camera的顶点先被渲染。