OSG图形设备接口GraphicsContext

时间：2020-11-28 15:32:32

1、图形设备与相机

在Camera类的成员函数中，setGraphicContext()函数的工作是设置相机对应的图形设备对象，换句话说，下面要介绍的GraphicsContext类就是图形设备对象的载体。用一句话来描述的话，GraphicsContext是任意图形子系统的抽象层接口，它提供了统一的图形设备操作函数，用来实现渲染结果和底层设备的交互；同时它还具有平台无关性，因而将OSG的渲染过程与操作系统平台剥离开来，使两者相互独立。用户即可以将渲染的内容传递给Windows或者X11的窗口与像素缓存对象，也可以自定义一个支持OpenGL的图形设备，并将结果反映在其上。

图形设备对象的主要工作是提供场景渲染结果的载体，这个载体可以显示缓存，进而绘制到一个图像窗口中，也可以是其他特殊的缓存对象，从而实现复杂的渲染和图像多次曝光等功能，创建一个图像设备不能简单地使用new运算符，因为GraphicContext类是一个不能被实例化的抽象类（这个体现在valid()等一大批纯虚函数上）；通常应当使用createContext()静态函数，自动根据当前的用户环境和特性参数traits，构建一个平台相关的图形设备对象。

  1. osg::ref_ptr<osg::GraphicsContext> gc = osg::GraphicsContext::creteGraphicsContext(traits)

2、窗口与像素缓存（Pixel Buffer）

      Windows下的每一个窗口都附带了一个设备环境（Device Context，DC）。当需要在窗口中直接进行二维图像绘制时，可以使用Windows图形设备接口函数（GDI）来完成操作。如果希望在某个Windows的窗口中实现三维场景的渲染，则需要将一个OpenGL渲染环境（Rendering Context, RC）的标识与此窗口的设备环境相关联；如果当前的OpenGL指令都要输出到某一个窗口，还应当指定该窗口的渲染环境为“当前渲染环境”。假设已知窗口句柄为hwnd，那么一个简单的渲染窗口的实现过程如下。

  1. HDC hdc = GetDC(hwnd);
  2. HGLRC hrc = wglCreateContext(hdc);
  3. ----
  4. wglMakeCurrent(hdc, hrc);

对于一个OpenGL而言，参与三维绘制的窗口可以有多个，但是一个渲染环境只能与一个窗口的设备环境相关联；并且任意时刻都只能有一个渲染环境被指定为当前环境。

而对于OSG来说，有关窗口及其渲染环境的操作都是由GraphicsContext的派生类osgViewer::GraphicsWindow来完成的。有关这个类及其“平台相关”子类的具体实现，参见后文“人机交互与图形设备接口”的内容。

像素缓存（Pixel Buffer, PBuffer）是一种较新的OpenGL扩展功能，用于实现离屏渲染（Off-screen Rendering）以及渲染到纹理（又称纹理烘焙，Render to Texture）。简单地说， PBuffer机制将本来渲染到显示缓存的场景数据换向输出到一处用户缓存中，进而可以将渲染数据绑定到纹理图片，甚至直接取出进行处理。将场景渲染的数据绑定到一张纹理图片的动作称为“纹理烘焙”；而使用着色器进行逐顶点或逐像素的数学运算，通过glReadPixels()等函数将渲染到纹理的结果重新取出，并加以储存和重新运用的过程，则属于通用GPU计算（General-purpose Computing on Graphics Process Units, GPGPU）的范畴。

OpenGL的像素缓存可以理解成一个建立在已有窗口上的一个虚拟窗口设备，它同样需要创建一个“窗口”句柄，为这个句柄分配设备环境，并且为设备环境关联渲染环境。由此得到的PBuffer设备可以像普通窗口一样被操作，但是它还允许将这个“窗口”绑定到指定的纹理对象，从而将渲染到该“窗口”的场景内容烘焙到纹理上。假设已知一个实际窗口的设备环境hdc，在其基础上构建一个PBuffer窗口的基本步骤如下。

  1. HWND pbufferHwnd = reinterpret_cast<HWND>(wglCreatePbufferARB(hdc, ---));
  2. HDC pbufferHdc = wglGetPbufferDCARB(reinterpret_cast<HRBUFFERARB>(pbufferHwnd));
  3. HGLRC pbufferHrc = wglCreateContext(pbufferHdc);
  4. ----
  5. wglMakeCurrent(pbufferHdc, pbufferHrc);
  6. ----
  7. glBindTexture(----);
  8. wglBindTexImageARB(reinterpret_cast<HPBUFFERARB>(phbufferHwnd), ---);

OSG中完整地封装了像素缓存的实现机制。正是由于pBuffer设备和窗口的类似之处，各个平台上的pBuffer类的实现同样都是由GraphicContext的派生类来完成的，包括核心库osgViewer下的PixelBufferWin32（Windows平台下的实现）、PixelBufferX11（Linux X11下的实现）和PixelBufferCarbon(Mac OS X下的实现)类。当将前文中提及的Traits::pbuffer参数设置为真时，系统就会根据当前系统平台的类别加载相应的PBuffer设备。当然直接使用createGraphicsContext()函数启动一个PBuffer也许没有太大的意义，更多的是在执行渲染到纹理功能时创建一个与之绑定的PBuffer设备。具体参看下一节的内容。

3、渲染到纹理（Rende to Texture）

上一节已经提到过，渲染到纹理（纹理烘焙）这一功能有两个主要作用——是实现场景离屏渲染之后的“后置处理”（Post-processing）；二是实现多种不同场景的融合显示。

一个典型的例子如下所述：在一个房间中放置一台播放着精彩节目的电视，房间是主场景；而电视节目则属于另一个场景，它作为纹理被显示在电视屏幕的模型之上，因而成为了主场景的组成部分。重要的是，节目的播放、节目频道的替换，以及节目信号是否突然中断等，这些复杂的变故与主场景并没有直接关系，对于整个房间而言，那只是一幅不断更新着的纹理图片而已。

上一节介绍了像素缓存（PBuffer）这一常用的OpenGL机制，然而实现纹理烘焙的手段并不只有像素缓存一种而已。常用的渲染到纹理的手段包括直接复制帧缓存（Frame buffer）中的像素、使用像素缓存设备、以及使用使用帧缓存对象（Frame Buffer Object， FBO）3种。

  直接复制帧缓存（Frame buffer）中的像素： OpenGL中提供了多种从当前帧的缓存数据中生成二维纹理的方法。效率较低的例如使用glReadPixels()提取像素再传递给glTexImage2D()；而效率较高的则使用glCopyTexImage2D()或者glCopyTexSubImage()函数，直接将显示缓存中的数据保存为纹理图片。但是无论怎样，这都是一种间接地“渲染到纹理”的方案，因而其中总是免不了一个“将数据复制到纹理”的步骤。

使用像素缓存设备 ： 由此产生的一个优化方案就是使用像素缓存设备。正如之前介绍的那样，它省却了复制的过程，而是直接将子场景渲染到与之绑定的纹理中。因此PBuffer虽然可能在一些老式和低端的显卡上无法得到全面的支持，但依然足以取代直接复制帧缓存的做法，从而进一步提升了纹理烘焙的效率。

帧缓存对象： 然而PBuffer还是有一些无法令人忽视的问题，例如每一个PBuffer设备都必须建立一个自己的渲染环境（RC）；它们各自有自己的像素格式、深度和模板缓存；对多个PBuffer进行切换和管理都十分困难。因此，一个新的解决方案诞生了，那就是帧缓存对象（Frame Buffer Object, FBO）扩展。

帧缓存的意义在于，它是一段2D数据的存储空间，保存了OpenGL渲染管线最终得到的像素数据。帧缓存的数据直接输出到窗口系统，即作为显示缓存使用，这种默认的缓存对象又称为“窗口系统支持”（Window-system-provided）的帧缓存。

如果将帧缓存的信息换向输出到一个虚拟窗口设备，并进而绑定到纹理对象，那么这就是之前所说的PBuffer的概念。如果另外定义一种不参与显示的，由“应用程序创建”（Application-created）的帧缓存，则称为帧缓存对象（FBO）。当FBO与一个纹理对象绑定时，它实现的即是“渲染到纹理”的操作；如果它与一处内存空间绑定，那么所执行的操作称为“离屏渲染”，我们可以随后取出该空间的内容，将其保存到图片或执行其他的后置处理。

FBO支持多达16个绑定通道，可以绑定渲染结果的多个颜色缓存值、深度缓存值以及模板缓存值到纹理或者自定义空间之上。FBO易于管理，多个FBO对象之间的切换也十分迅速，并且它还具有平台无关的特性（要知道PBuffer是平台相关的）。

OpenGL中定义和绑定FBO的基本流程如下：

  1. /* 创建FBO对象那个*/
  2. GLuint fboID;
  3. glGenFramebuffersEXT(1, &fboID);
  4. glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, fboID);
  5. /*绑定FBO与一个二维纹理对象textureID*/
  6. glFramebufferTexture3DEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT,
  7. GL_COLOR_ATTACHMENT0_EXT,
  8. GL_TEXTURE_2D, textureId, 0);
  9. /*渲染子场景到纹理*/
  10. glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, fboId);
  11. drawSubScene();
  12. glBindFrameBufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT, 0);

而OSG中则直接使用Camera类实现了对于FBO、PBuffer和读取帧缓存3种纹理烘焙方式的支持。

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