OpenGL ES 帧缓冲对象介绍和使用示例

一、介绍

1. 帧缓冲对象

默认情况下，OpenGL渲染的目标是屏幕，但如果你不想直接渲染到屏幕上，还需要对渲染结果做某些后期处理、渲染到纹理、阴影映射等操作，便可以使用帧缓冲对象，实现离屏渲染。

帧缓冲对象（Frame Buffer Object，FBO）是一个概念容器，它可以包含颜色缓冲区、深度缓冲区、模板缓冲区等，形成一个完整的渲染目标。

通过使用帧缓冲对象，可以实现离屏渲染、多重渲染目标（MRT）等高级渲染技术，而不必直接渲染到屏幕。

2. 相关概念

以下是帧缓冲对象的一些基本概念：

  • 颜色缓冲区（Color Buffer）：存储渲染的颜色信息。一个帧缓冲对象可以包含多个颜色缓冲区，用于实现多重渲染目标。
  • 深度缓冲区（Depth Buffer）： 存储每个像素的深度信息，用于实现深度测试，确保正确的渲染顺序。
  • 模板缓冲区（Stencil Buffer）： 存储模板测试的结果，用于实现各种复杂的渲染效果。
  • 渲染缓冲区（Renderbuffer）： 实际上是OpenGL ES 3.0中用于存储颜色、深度和模板信息的内存对象。它可以附加到帧缓冲对象的不同附着点。

3. 渲染缓冲对象

渲染缓冲对象（Render Buffer Object，RBO）是一种特殊类型的对象，用于存储图形渲染过程中的像素数据，优点是它的存储格式是优化过的，性能更好，适合渲染而不是读取，所以不可以直接读取。

用途一般是作为帧缓冲对象的附着点，提供一个高效的存储区域，用于存储渲染结果。 渲染缓冲对象通常用于只写入不读取的场景，而纹理可以作为可读取的附着点。于是渲染缓冲对象经常作为深度和模板附件来使用，因为大多数时候并不需要从深度和模板缓冲中读取数据。

4. 关系图


图源：OPENGL ES 3.0 编程指南 原书第2版

二、使用

帧缓冲对象的使用通常包括以下步骤：

  1. 创建帧缓冲对象： 使用 glGenFramebuffers 函数创建一个帧缓冲对象，其值是一个非零的无符号整数。
  2. 绑定帧缓冲对象： 使用 glBindFramebuffer 函数将帧缓冲对象绑定为当前渲染目标。
  3. 创建和附着附加点： 创建颜色缓冲区和深度缓冲区，然后将它们附着到帧缓冲对象的附着点上。
  4. 渲染： 执行渲染操作，渲染结果将存储在帧缓冲对象中。
  5. 解绑帧缓冲对象： 使用 glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0) 将帧缓冲对象解绑，将渲染目标切换回屏幕，数字0即表示屏幕。
  6. 删除帧缓冲对象： 使用 glDeleteFramebuffers 函数创建一个帧缓冲对象。

代码示例：

#include <GLES3/gl3.h>

// 定义帧缓冲对象和渲染缓冲对象的标识符
GLuint framebuffer;
GLuint renderbuffer;

// 定义纹理对象的标识符
GLuint texture;

// 图像的宽度和高度
int screenWidth = 1080;
int screenHeight = 1440;

void init()
{
    // 创建并绑定帧缓冲对象
    glGenFramebuffers(1, &framebuffer);
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, framebuffer);

    // 创建并绑定渲染缓冲对象用于深度和模板信息
    glGenRenderbuffers(1, &renderbuffer);
    glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, renderbuffer);

    // 分配存储空间
    glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH24_STENCIL8, screenWidth, screenHeight);

    // 将渲染缓冲对象附着到帧缓冲的深度和模板附着点
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, renderbuffer);
    glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_STENCIL_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, renderbuffer);

    // 创建并绑定纹理对象用于颜色附着点
    glGenTextures(1, &texture);
    glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

    // 分配存储空间
    glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, screenWidth, screenHeight, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, nullptr);

    // 设置纹理参数
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

    // 将纹理对象附着到帧缓冲的颜色附着点
    glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, texture, 0);

    // 检查帧缓冲完整性
    if (glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER) != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE) {
        // 处理错误
        // ...
    }

    // 解绑帧缓冲对象
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
}

void render()
{
    // 绑定帧缓冲对象
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, framebuffer);

    // 渲染操作，将渲染结果存储在帧缓冲对象中

    // 解绑帧缓冲对象
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

    // 使用帧缓冲对象的渲染结果进行后期处理或直接显示在屏幕上
}

三、应用实例

1. 保存纹理数据

利用FBO绑定纹理到颜色附着上，便可以方便的把纹理数据读取出来了。

代码示例：

void textureToBuffer(int textureId, int x, int y, int width, int height, unsigned char *buffer) {
    // 创建FBO
    GLuint fbo[1];
    glGenFramebuffers(1, fbo);
    // 绑定
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo[0]);
    glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, textureId, 0);
    // 读取数据
    glReadPixels(x, y, width, height, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, buffer);  // 这里的format和type需要和纹理一致
    // 解绑和释放
    glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);  // unbind
    glDeleteFramebuffers(1, fbo);
}

2. 渲染结果还需后处理

当需要多次渲染（渲染结果还需后处理）才能完成的任务时，此时无需次次都渲染到屏幕上，而是可以选择进行一次或多次离屏渲染，最终再渲染到屏幕上。

下面看一个图像虚化的例子来感受一下。（关于虚化方法这里不做过多解释，可以查看其他文章，如：opencv图像卷积操作和常用的图像滤波函数）

方案一：单次滤波完成虚化

使用 BoxFilter 的 fragment shader 文件如下：

#version 300 es
precision mediump float;
layout (location = 2) uniform sampler2D s_texture;
layout (location = 3) uniform int u_kernelSize;

in vec2 v_texCoor;
out vec4 fragColor

vec4 boxFilter() {
    if (u_kernelSize <= 1) {
        return texture(s_texture, v_texCoor);
    }
    ivec2 texSize = textureSize(s_texture, 0);
    float xStep = 1.0 / float(texSize.x);
    float yStep = 1.0 / float(texSize.y);
    vec4 sum = vec4(0.0);
    int num = 0;
    // 复杂度：N^2
    for (int i = -u_kernelSize; i <= u_kernelSize; i++) {
        for (int j = -u_kernelSize; j <= u_kernelSize; j++) {
            float x = v_texCoor.x + float(i) * xStep;
            float y = v_texCoor.y + float(j) * yStep;
            sum += texture(s_texture, vec2(x, y));
            num++;
        }
    }
    return sum / float(num);
}

void main() {
    fragColor = boxFilter();
}

我们通过对周围像素采样，并求平均值的方式获取当前点虚化后的值。由于实现上是嵌套的两层for循环，随着 u_kernelSize 的增大，其耗时将急剧增大。

方案二：横纵方向两次滤波完成虚化

之前我们是对 N*N 的区域进行采样并求平均值，其时间复杂度为 N^2。但如果我们先对横向进行一次采样求平均值，再对输出的结再进行一次纵向的采样求平均值，这样只需要 N*2 即可以达到相同的效果。在高通6225机器上测试 KernelSize = 7 时，耗时从44ms降低到9ms。

优化后的 fragment shader 文件如下：

#version 300 es
precision mediump float;
layout (location = 2) uniform sampler2D s_texture;
layout (location = 3) uniform int u_kernelSize;
layout (location = 4) uniform int u_boxFilterType;

in vec2 v_texCoor;
out vec4 fragColor

vec4 boxFilterHorizontal() {
    if (u_kernelSize <= 1) {
        return texture(s_texture, v_texCoor);
    }
    ivec2 texSize = textureSize(s_texture, 0);
    float xStep = 1.0 / float(texSize.x);
    vec4 sum = vec4(0.0);
    int num = 0;
    // 复杂度：N
    for (int i = -u_kernelSize; i <= u_kernelSize; i++) {
        float x = v_texCoor.x + float(i) * xStep;
        sum += texture(s_texture, vec2(x, v_texCoor.y));
        num++;
    }
    return sum / float(num);
}

vec4 boxFilterVertical() {
    if (u_kernelSize <= 1) {
        return texture(s_texture, v_texCoor);
    }
    ivec2 texSize = textureSize(s_texture, 0);
    float yStep = 1.0 / float(texSize.y);
    vec4 sum = vec4(0.0);
    int num = 0;
    // 复杂度：N
    for (int i = -u_kernelSize; i <= u_kernelSize; i++) {
        float y = v_texCoor.y + float(i) * yStep;
        if (y < 0.0 || y > 1.0) {
            continue;
        }
        sum += texture(s_texture, vec2(v_texCoor.x, y));
        num++;
    }
    return sum / float(num);
}

void main() {
    if (u_boxFilterType == 1) {
        fragColor = boxFilter();
    } else if (u_boxFilterType == 2) {
        fragColor = boxFilterHorizontal();
    } else if (u_boxFilterType == 3){
        fragColor = boxFilterVertical();
    } else {
        fragColor = texture(s_texture, v_texCoor); // origin
    }
}

如上我们通过指定 u_boxFilterType 的值来实现使用不同的函数来完成滤波（当然你也可以写几个不同的 fragment shader 来实现）。

部分调用代码如下（完整代码链接在文章末尾）：

public void drawBitmapUseFBO() {
    if (mGLProgramBlur <= 0) {
        Log.e(TAG, "mGLProgram not create!");
        return;
    }
    GLES30.glFinish();
    long startTime = System.currentTimeMillis();

    GLES30.glUseProgram(mGLProgramBlur); // 指定使用的program
    GLES30.glEnable(GLES30.GL_CULL_FACE); // 启动剔除
    // init vertex
    GLES30.glEnableVertexAttribArray(0);
    GLES30.glEnableVertexAttribArray(1);
    GLES30.glVertexAttribPointer(0, VERTEX_SIZE, GLES30.GL_FLOAT, false, VERTEX_STRIDE, mVertexBuffer);
    GLES30.glVertexAttribPointer(1, VERTEX_SIZE, GLES30.GL_FLOAT, false, VERTEX_STRIDE, mTextureBitmapBuffer);

    // 先进行boxFilterHorizontal，渲染到FBO上，绑定颜色附着的纹理
    GLES30.glActiveTexture(GLES30.GL_TEXTURE0);
    GLES30.glBindTexture(GLES30.GL_TEXTURE_2D, mTextures[0]);
    GLES30.glUniform1i(2, 0);
    GLES30.glUniform1i(3, mKernelSize);  // set u_kernelSize
    GLES30.glUniform1i(4, 2);  // set u_boxFilterType to boxFilterHorizontal
    GLES30.glBindFramebuffer(GLES30.GL_FRAMEBUFFER, mFBO[0]);
    GLES30.glFramebufferTexture2D(GLES30.GL_FRAMEBUFFER, GLES30.GL_COLOR_ATTACHMENT0, GLES30.GL_TEXTURE_2D, mTextures[1], 0);
    GLES30.glDrawElements(GLES30.GL_TRIANGLE_FAN, VERTEX_ORDER.length, GLES30.GL_UNSIGNED_BYTE, mDrawListBuffer);

    // 再进行boxFilterVertical，渲染到屏幕
    GLES30.glBindFramebuffer(GLES30.GL_FRAMEBUFFER, 0);  // 解绑，即重新绑定回屏幕
    // GLES30.glVertexAttribPointer(0, VERTEX_SIZE, GLES30.GL_FLOAT, false, VERTEX_STRIDE, mVertexBuffer);
    // 这次不需要再对纹理进行上下翻转了，重新设置下纹理坐标的值
    GLES30.glVertexAttribPointer(1, VERTEX_SIZE, GLES30.GL_FLOAT, false, VERTEX_STRIDE, mTextureRotation0Buffer);
    GLES30.glActiveTexture(GLES30.GL_TEXTURE1);
    GLES30.glBindTexture(GLES30.GL_TEXTURE_2D, mTextures[1]);
    GLES30.glUniform1i(2, 1);
    GLES30.glUniform1i(3, mKernelSize);  // set u_kernelSize
    GLES30.glUniform1i(4, 3);  // set u_boxFilterType to boxFilterVertical
    GLES30.glDrawElements(GLES30.GL_TRIANGLE_FAN, VERTEX_ORDER.length, GLES30.GL_UNSIGNED_BYTE, mDrawListBuffer);
    GLES30.glDisableVertexAttribArray(0);
    GLES30.glDisableVertexAttribArray(1);

    GLES30.glFinish();
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    Log.i(TAG, "drawBitmapUseFBO time(ms): " + (endTime - startTime));
}

先进行 boxFilterHorizontal，渲染到FBO上，再进行 boxFilterVertical，渲染到屏幕。

3. 多重渲染目标（MRT）

通常情况下，片段着色器只有一个输出颜色。如果想要同时输出多个颜色，则可以使用多重渲染目标来实现，通过多重渲染目标，片段着色器输出多个颜色（用于保存RGBA颜色、法线、深度或纹理坐标）。MRT 用于多种高级渲染算法中，例如延迟着色和快速环境遮蔽估算（SSAO）。

使用示例：

fragment shader 中指定多个输出颜色

#version 300 es
precision mediump float;
layout (location = 2) uniform sampler2D s_texture;

in vec2 v_texCoor;
out vec4 fragColor1;  // 输出到第一个颜色附着点
out vec4 fragColor2;  // 输出到第二个颜色附着点
out vec4 fragColor3;  // 输出到第三个颜色附着点

void main() {
    vec4 color = texture(s_texture, v_texCoor); // origin
    fragColor1 = vec4(1.0) - color; // inverted
    fragColor2 = mix(color, vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0), 0.5); // mix with color red
    fragColor3 = mix(color, vec4(0.0, 0.0, 1.0, 1.0), 0.5); // mix with color blur
}

部分调用代码如下（完整代码链接在文章末尾）：

public void drawBitmapUseMRT(int targetIndex) {
    if (mGlProgramMRT <= 0) {
        Log.e(TAG, "mGLProgram not create!");
        return;
    }
    GLES30.glFinish();
    long startTime = System.currentTimeMillis();

    Log.d(TAG, "drawBitmapUseMRT mGLProgram: " + mGlProgramMRT);
    GLES30.glUseProgram(mGlProgramMRT); // 指定使用的program
    GLES30.glEnable(GLES30.GL_CULL_FACE); // 启动剔除
    // init vertex
    GLES30.glEnableVertexAttribArray(0);
    GLES30.glEnableVertexAttribArray(1);
    GLES30.glVertexAttribPointer(0, VERTEX_SIZE, GLES30.GL_FLOAT, false, VERTEX_STRIDE, mVertexBuffer);
    GLES30.glVertexAttribPointer(1, VERTEX_SIZE, GLES30.GL_FLOAT, false, VERTEX_STRIDE, mTextureBitmapBuffer);
    // bind texture
    GLES30.glActiveTexture(GLES30.GL_TEXTURE0);
    GLES30.glBindTexture(GLES30.GL_TEXTURE_2D, mTextures[0]);
    GLES30.glUniform1i(2, 0);

    // bind FBO and color attachment
    GLES30.glBindFramebuffer(GLES30.GL_FRAMEBUFFER, mFBO[0]);
    GLES30.glFramebufferTexture2D(GLES30.GL_FRAMEBUFFER, GLES30.GL_COLOR_ATTACHMENT0, GLES30.GL_TEXTURE_2D, mTextures[1], 0);
    GLES30.glFramebufferTexture2D(GLES30.GL_FRAMEBUFFER, GLES30.GL_COLOR_ATTACHMENT1, GLES30.GL_TEXTURE_2D, mTextures[2], 0);
    GLES30.glFramebufferTexture2D(GLES30.GL_FRAMEBUFFER, GLES30.GL_COLOR_ATTACHMENT2, GLES30.GL_TEXTURE_2D, mTextures[3], 0);
    // 假设有两个颜色附着点，分别对应 GL_COLOR_ATTACHMENT0 和 GL_COLOR_ATTACHMENT1
    int drawBuffers[] = { GLES30.GL_COLOR_ATTACHMENT0, GLES30.GL_COLOR_ATTACHMENT1, GLES30.GL_COLOR_ATTACHMENT2 };
    // 将颜色附着点指定给帧缓冲对象
    GLES30.glDrawBuffers(drawBuffers.length, drawBuffers, 0);
    GLES30.glDrawElements(GLES30.GL_TRIANGLE_FAN, VERTEX_ORDER.length, GLES30.GL_UNSIGNED_BYTE, mDrawListBuffer);

    GLES30.glFinish();
    long endTime = System.currentTimeMillis();
    Log.i(TAG, "drawBitmapUseMRT time(ms): " + (endTime - startTime));
}

四、示例代码地址

https://github.com/afei-cn/OpenGLSample/tree/master/fbodemo

其中shader代码在 fbodemo/src/main/assets 文件夹下，调用代码在 fbodemo/src/main/java/com/afei/fbodemo/JavaDrawer.java 中。

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