OpenGL学习笔记-2015.3.24——transform feedback缓存&粒子系统示例分析
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时间：2015年06月12日
transform feedback是OpenGL中比较酷炫的特性之一，他让客户端应用程序可以获取到渲染流水线上的顶点数据。基于这一特性实现了基于z-pass场景决策渲染技术，当然在此并没有去了解何为z-pass场景决策渲染技术，总之是一个可以有效减少渲染数据的输送。这里只是通过一个简单的例子系统，去了解transform feedback对象的使用方法。
正文：
1、transform feedback:
transform feedback是OpenGL渲染管线中，顶点处理阶段结束之后，图元装配和光栅化之前的一个步骤。transform feedback可以重新捕获即将装配为图元(点，线段，三角形)的顶点，然后你将他们的部分或者全部属性传递到缓存对象。每个顶点在传递到图元装配阶段时（之前），将所有需要捕获的属性数据记录到一个或者多个缓存对象当中（至于捕获那些数据，都是在我们控制之下的），程序可以通过缓存回读这些数据，或者将他们用于后续的渲染操作。
tansform feedback所有状态通过一个transform feedback对象管理，这个状态包括所有用于记录顶点数据的缓存对象，用于标识缓存对象的计数器（名称glGen*系列函数返回），以及用于标识transform feedback当前是否启用的状态量。transform对象的创建绑定过程和一般的OpenGL对象相似：
a. void glGenTransformFeedbacks( GLsizei n, GLuint* ids ) 为transform feedback对象生成n个名称，并且将生成的名称记录到数组ids中。0是保留名称，openGL默认tranform feedback，函数将永远不会返回0.
b. void glBindTransformFeedback( GLenum target, GLuint id ) 将一个id(glGen*返回的名称)绑定到指定的target(必须是GL_TRANSFORM_FEEDBACK)所指定的环境中。他做了三个工作：1、如果第一次绑定这个名称，将创建一个tranform feedback对象，使用默认状态值对他进行初始化，并设为当前transform
feedback;2、否则单纯的帮该transform feedback激活为当前；3、如果id为0，则相当于重新回到默认的transform feedback对象上（解除所有值钱绑定的transform feedback对象）
c. GLboolean glIsTransformFeedback( GLenum id )判断id是否为一个transform feedback对象。
d.当绑定了一个transform feedback对象之后，所有可能会影响到transform feedback状态的命令都会作用于这个对象。不过并不需要为了使用transform feedback相关功能而去特别定义一个transform feedback对象想，因为系统会内置一个默认的transform feedback对象（名称为id = 0）
e. void glDeleteTransformFeedbacks( GLsizei n, const GLuint* ids )删除n个transform feedback对象。在本次transform feedback结束之后才回去删除
2.transform feedback缓存
transform feedback主要用来管理将顶点捕捉到缓存对象的相关状态。这个状态中包含当前连接到的transform feedback缓存绑定点的缓存对象。可以同时给transform feedback绑定多个缓存，也可以绑定缓存对象的多个子块，甚至可以将同一个缓存对象不用子块绑定到不同的transform feedback缓存绑定点上。
绑定接口： void glBindBufferBase( GLenum target, GLuint index, GLuint buffer ) 其中target自然必须为GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER，而index必须为当前绑定的transform feedback对象的缓存绑定点索引，绑定点最大数与设备实现有关可以通关GL_MAX_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFERS的值来查询。所有的OpenGL设备实现都可以至少支持64个绑定点。也可以将一个缓存对象的一部分绑定到某个transform
feedback绑定点：void glBindBufferRange( GLenum GLuint index, GLuint buffer, GLintptr offset, GLsizeiptr size ) offset 和size单位都为字节，定义了buffer缓存的范围。需要特别注意的是亮点：1、保证一个缓存绑定到多个transform feedback绑定点时他们使用的区域不能重叠。2.、glBindBufferBase()和glBindBufferRange()都不会主动去创建缓存对象（这与glBindBuffer不同），而创建缓存对象的工作还是由glBindBuffer()来承担，数据操作还是由glBufferData(),glBufferSubData(),glGetBufferSubData()来完成。
（关于缓存绑定点的解释：在这里可能会问缓存绑定点指的是什么？其实就是一个点，也可以理解为一个名称，他有着最大限制，至少为64，是着色器访问缓存对象的一个桥梁（快速便捷的），略微搜了下，有个一个叫UBO（uniform Block Object）的应用，看了多少会对绑定点有所了解，遗憾的是并没有找到，transform feedback的关于这个桥梁保证准确找到数据的呢？现在也并不能很好的理解之，mark下一个地址：http://www.zwqxin.com/archives/opengl/talk-about-transform-feedback.html 讲述了transform
feedback的高级应用）
初始化过程示例：
//缓存名称
GLuint buffer;
glGenBuffers( 1, &buffer )
//绑定到TRANSFORM_FEEDBACK创建缓存对象。
glBindBuffer( GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, buffer )
//glBufferData初始化数据，参数为NULL,申请空间保留使用
glBufferData( GL_TRANFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1024*1024, NULL, GL_DYNAMIC_COPY )
//绑定到缓存绑定点,一般用于index = 1，一般用于index = 0
glBindBufferRange( GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, buffer, 0, 512*1024 )
glBindBufferRange( GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 1, buffer, 512*1024, 512*1024 )
3、transform feedback的变量配置
transform feedback所绑定的缓存是一个transform feedback对象关联在一起，顶点（或者几何）着色器的输出要记录在那些缓存当中，这些配置信息是保存在当前程序对象当中。openGL提供了相应的接口让我们配置那些变量应该被记录。
void glTransformFeedbackVaryings( GLuint program, GLsizei count, const GLchar** varyings, GLenum bufferMode )
参数varyings指定了一个变量数组，也就是那些需要被feedback的变量。program是对应的着色器程序，count表示varyings中字符串的数量，bufferMode指定了捕获变量的模式：a、分离模式（GL_SEPARATE_ATTRIBS）：每个变量将会被记录到单独的缓存对象中；b、交叉模式（GL_INTERLEAVED_ATTRIBS）:那么所有的变量是一个接着一个记录到绑定到当前transform
feedback对象的第一个绑定点的缓存对象里！
openGL还提供了一些内置变量来帮助 我们更灵活的控制捕获的数据在缓存中的对齐方式：gl_SkipComponents1、gl_SkipComponents2、gl_SkipComponents3、gl_SkipComponents4、gl_NextBuffer。对于gl_SkipComponents*，OpenGL会留出指定数量的空隙（1，2，3，4）。当捕获模式为交叉模式这些才可以使用这些gl_SkipComponents*内置变量；而对于gl_NextBuffer，OpenGL会把变量传递到当前绑定点的下一个transform
feedback缓存中，这样在GL_INTERLEAVED_ATTRIBS模式下也可以将变量保存在单独的缓存当中，如果捕获模式为GL_SEPARATE_ATTRIBS是遇到gl_NextBuffer，或者在GL_INTERLEAVED_ATTRIBS下连续遇到gl_NextBuffer（两个而上）那么将跳过当前绑定点，并在当前绑定的缓存中不会记录任何数据。在这里似乎可以回答之前括号里面关于绑定点的疑惑：首先每个绑定点对应于一个缓存或一部分缓存，他总是独立享有指定的缓存，不能与其他绑定点交叉。对于顶点着色器和几何着色器而言绑定点似乎可以理解为地址。在捕获数据是总是先从索引为当前transform
feedback对象的第一个绑定点索引开始（索引值最小那个）输出数据，并根据glTransformFeedbackVaryings() varyings 参数指定的对齐方式存放在缓存当中。
4、transform feedback捕获启动与停止、
transform feedback 可以随时启动和停止，甚至暂停。一些控制transform启动停止的api:
void glBeginTransformFeedback( GLenum primitiveMode )：开始并设置transform feedback将要记录的图元类型，primitiveMode必须是：GL_POINTS, GL_LINES、GL_TRIANGLES三个之一。在之后的绘制命令中团员类型需要与之相符，或则几何着色器中输出类型需要与之相符。、
void glPuaseTransformFeedback():暂停transform feedback对变量的记录，但transform feedback还是处于启动状态。如果transform feedback没有启动则OpenGL产生错误。
void glResumeTransformFeedback():重新开启一个之前通过glPuaseTransformFeedback()暂停的feedback过程，如果transform feedback没有启动，或者没有被处于活动状态，则产生OpenGL错误。
void glEndTransformFeedback()结束transform feedback过程。
5、基于transform feedback的粒子系统分析
程序分为两个处理过程，创建了2个着色器分别管理这两个过程。第一个负责渲染模型对象，第二个负责渲染粒子和实现粒子与模型对象的碰撞检测。在碰撞检测过程中用到的模型顶点数据就是将是通过transform feedback获取，而由于需要记录粒子的位置速度信息需要保留给当前渲染使用，单一缓冲无法对新数据进行记录，所以采用了双缓冲区，同样使用transform
feedback来记录本次粒子渲染结果，给下一帧使用。
粒子系统渲染顶点着色器分析：
#version 410
uniform mat4 model_matrix;
uniform mat4 projection_matrix;
uniform int triangle_count;//模型的，在绘制更新粒子前赋值三角形数量
//输入
layout (location = 0) in vec4 position;
layout (location = 1) in vec3 velocity;
//输出
out vec4 position_out;
out vec3 velocity_out;
//在transform feedback记录的数据，使用纹理查找tbo获取三角形平面
uniform samplerBuffer geometry_tbo;
uniform float time_step = 0.02;//更新时间步长
//线段与三角形平面相交测试
bool intersect(vec3 origin, vec3 direction, vec3 v0, vec3 v1, vec3 v2, out vec3 point)
{
vec3 u, v, n;
vec3 w0, w;
float r, a, b;
u = (v1 - v0);
v = (v2 - v0);
n = cross(u, v);
if (length(n) < 0.1)
return false;
w0 = origin - v0;
a = -dot(n, w0);
b = dot(n, direction);
if (abs(b) < 0.1)
return false;
r = a / b;
if (r < 0.0 || r > 1.0)
return false;
point = origin + r * direction;
float uu, uv, vv, wu, wv, D;
uu = dot(u, u);
uv = dot(u, v);
vv = dot(v, v);
w = point - v0;
wu = dot(w, u);
wv = dot(w, v);
D = uv * uv - uu * vv;
float s, t;
s = (uv * wv - vv * wu) / D;
if (s < 0.0 || s > 1.0)
return false;
t = (uv * wu - uu * wv) / D;
if (t < 0.0 || (s + t) > 1.0)
return false;
return true;
}
//碰撞后反射向量计算
vec3 reflect_vector(vec3 v, vec3 n)
{
return v - 2.0 * dot(v, n) * n;
}
void main(void)
{
vec3 accelleration = vec3(0.0, -0.3, 0.0);
vec3 new_velocity = velocity + accelleration * time_step;
vec4 new_position = position + vec4(new_velocity * time_step, 0.0);//计算粒子新的速度和位置
vec3 v0, v1, v2;
vec3 point;
int i;
for (i = 0; i < triangle_count; i++)
{
//利用纹理查找tbo获取模型的三角形平面。做相交测试，如果相交在交点处计算反弹之后的新速度向量和位置
v0 = texelFetch(geometry_tbo, i * 3).xyz
v1 = texelFetch(geometry_tbo, i * 3 + 1).xyz;
v2 = texelFetch(geometry_tbo, i * 3 + 2).xyz;
if (intersect(position.xyz, position.xyz - new_position.xyz, v0, v1, v2, point))
{
vec3 n = normalize(cross(v1 - v0, v2 - v0));
new_position = vec4(point + reflect_vector(new_position.xyz - point, n), 1.0);
new_velocity = 0.8 * reflect_vector(new_velocity, n);
}
}
//超出一定范围，回归。
if (new_position.y < -80.0)
{
new_position = vec4(-new_position.x * 0.3, position.y + 200.0, 0.0, 1.0);
new_velocity *= vec3(0.2, 0.1, -0.3);
}
velocity_out = new_velocity * 0.9999;//几乎无衰减的速度
position_out = new_position;
gl_Position = projection_matrix * (model_matrix * position);
}
粒子系统片元着色器：非常简单，只是设置了粒子的颜色为白色。
#version 410
layout (location = 0) out vec4 color;\
void main(void)
{
color = vec4(1.0);
}
模型渲染的顶点着色器和片元着色器和之前的例子没什么区别。可以再代码里面看到。或者在之前的文章中看到相关详细注释
5.粒子实例运行截图
粒子从模型头顶落下
粒子撞击模型时被弹开
Then End~~~
（牢骚：愈发无聊的生活，愈发没有激情的工作，青春只是在流逝，没有痕迹）
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