Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

什么意思?

拾取

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

最简单的理解拾取的方式大概是到(http://www.yakergong.net/nehe/course/tutorial_32.html)玩一下NEHE的拾取游戏。用鼠标点击飞过屏幕的物体就会击中它,这就是拾取的意义。

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

 

Legacy OpenGL VS Modern OpenGL

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现
Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

Legacy OpenGL就是使用glTranslate、glRotate、gluScale、gluLookAt、glPerspective等函数的OpenGL程序。NEHE的教程讲述的都是Legacy OpenGL。这是以前OpenGL的使用方式,它使用的是固定功能管线。

Modern OpenGL不再使用上面那些函数。它用GLSL语言编写Shader,由Shader代替上面那些函数的功能,并且Shader能提供更多更强的功能。你必须自行计算投影矩阵、ModelView矩阵。

它还使用VBO把顶点数据放到GPU内存,从而避免了每次渲染时都要把顶点数据从CPU内存上传到GPU内存。简单来说,VBO就是一个数组,里面依次保存留每个顶点的某种信息(如位置信息、颜色信息、法线信息)。它代替了显示列表。所以glVertex也不再使用了。

 

Legacy OpenGL的拾取

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

在SharpGL(https://github.com/dwmkerr/sharpgl)里有一个HitTestSample项目,演示了Legacy OpenGL里实现拾取的方法。简单来说,OpenGL在设计的时候就为拾取提供了相关接口,所以拾取功能才得以实现。Legacy OpenGL通过GL_SELECT的渲染模式、预备好的拾取缓存、渲染每个可区分的模型前都用PushName()等一系列动作,实现了拾取屏幕上某一点的模型。

当然,还可以用射线碰撞检测的方法进行拾取,留待以后再说。

 

Modern OpenGL的拾取

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

Modern OpenGL使用VBO存储顶点信息,如果仍旧采用Legacy OpenGL里的拾取机制,最多只能分辨出这个VBO和那个VBO来。如果场景里的模型是由唯一一个VBO渲染的,那么只要点中了VBO里的任何一点,就会拾取到整个VBO。比如一个VBO里保存的是用GL_POINTS代表的星星,那么你点击任何一个点,Legacy OpenGL的拾取机制都会返回同样的结果,你是无法拾取单一的星星的。

 

拾取VBO内的单一图元

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

如果说用一个VBO只保存一个顶点,那也不行,因为显卡支持的VBO总数有限,一个VBO只保存一个顶点实在太浪费了。

我在网上搜罗了好多天,只找到一个基于颜色编码的拾取方法(Color-Coded Picking)。(查看这个足以代表之http://www.lighthouse3d.com/tutorials/opengl-selection-tutorial/)不过这个例子仍然只能分辨出各个VBO来,VBO内部的图元是无法区分的。不过好歹有点希望了。

万般无奈之际我在读OVITO(https://github.com/t-brink/ovito)的代码时终于找到了它分辨VBO内的单一图元的原理。顺便模仿了一下它的Shader。

 

思路:Color-Coded Picking

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

这里仍然以(Color-Coded Picking)称呼这个方法,因为确实就是基于颜色编码的拾取方式。网上找的那些只不过没有充分发挥这个方法的能力而已。也可能是人家懒得写或者不愿意写吧。

用类比的方式说明这个方法的思路。假设张三丰已经收齐了武当七侠,分别给他们编派了法号(应该是道号)为0号侠、1号侠、2号侠、3号侠、4号侠、5号侠、6号侠。这是武当内部编号,从不外传。武当七侠各自出去闯江湖,每隔1个月都会各自发一封书信给张三丰,为了辨别身份,他们分别用赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫7个颜色自称。即"尊师您好,……赤 敬上"就是0号侠寄来的,"恩师万安,……橙 敬上"就是1号侠发来的,以此类推。张三丰就心里有数了,某一天他又收到了7位徒弟的来信,随意拿出一封,看到了"蓝 敬上"就知道这是4号侠了。

古有张三丰,今有鼠标君。武当七侠就是VBO里的7个顶点信息(看作位置信息吧),GLSL的Shader内置了gl_VertexID这个变量,当Shader处理第1个顶点时,gl_VertexID就是0(号侠),处理第2个顶点时,gl_VertexID就是1(号侠),以此类推。各个顶点位置相互独立地进行坐标变换,这帮不了我们什么。但是其颜色gl_FragColor可以根据编号gl_VertexID推算;这些顶点按照推算的颜色显示到屏幕,然后我们(张三丰)用glReadPixel()来获取鼠标所在位置的颜色,根据此颜色就知道这是哪个顶点了。拾取完成。

总的来说,利用GLSL的内置变量gl_VertexID,设计一个gl_FragColor=f(gl_VertexID)的一一对应的函数关系;再加上我们能够用glReadPixel()获取屏幕上任意位置的颜色信息(gl_FragColor),这样就能够得到拾取到的顶点的 gl_VertexID,即该顶点在VBO中的位置。

所以,这个思路的核心就是设计一个 gl_VertexID与 gl_FragColor之间的一一对应的函数。 gl_VertexID的范围是0到Count(顶点数)-1,gl_FragColor由RGBA共4个分量构成,每个分量的范围都是0到255。所以,这个方法支持的VBO的顶点数上限是(256*256*256*256=232=4294967296)。不过目前的显卡支持的VBO最大容量据此上限还差很多。所以放心使用好了。

一个很显然的设计方案如下:(伪代码,忽略了一些细节)

1     int objectID = gl_VertexID;
2     gl_FragColor = vec4(
3         float(objectID & 0xFF),
4         float((objectID >> 8) & 0xFF),
5         float((objectID >> 16) & 0xFF),
6         float((objectID >> 24) & 0xFF));

就是把gl_VertexID的各个字节上的值分别指派给gl_FragColor的RGBA分量,相当于换一种格式。

gl_FragColor转换到gl_VertexID的代码就不用贴了吧。

 

实现:拾取VBO内的点图元GL_POINTS

设置VBO

这根据你的业务需求来做。加载合适的模型,把顶点信息保存到VBO里。这里给一个测试用的:

 

1             const int length = 256 * 3;
2             vertices = new float[length];
3             Random random = new Random();
4             // points
5             for (int i = 0; i < length; i++)
6             {
7                 vertices[i] = (float)(i) / (float)(length);
8             }

 

这会让各个顶点按照编号从0到length的顺序,从object space的原点到(1,1,1)依次排列。就像武当七侠按照0号侠、1号侠、2号侠、3号侠、4号侠、5号侠、6号侠的顺序站在你面前。

 

编写Shader

Vertex Shader如下:

 

 1 #version 150 core
 2 
 3 in vec3 in_Position;
 4 out vec4 pass_Color;
 5 uniform mat4 projectionMatrix;
 6 uniform mat4 viewMatrix;
 7 uniform mat4 modelMatrix;
 8 
 9 void main(void) {
10     // 坐标变换
11     gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(in_Position, 1.0);
12 
13     // 根据编号计算对应颜色
14     int objectID = gl_VertexID;
15     pass_Color = vec4(
16         float(objectID & 0xFF) / 255.0, 
17         float((objectID >> 8) & 0xFF) / 255.0, 
18         float((objectID >> 16) & 0xFF) / 255.0, 
19         float((objectID >> 24) & 0xFF) / 255.0);
20 }

 

Fragment Shader如下:

 

#version 150 core
in vec4 pass_Color;
out vec4 out_Color;

void main(void) {
    // 颜色值输出到屏幕,被glReadPixel()获取
    out_Color = pass_Color;
}

 

Modern OpenGL里的Shader代替里以前固定功能管道里的坐标变换等功能。这里的Vertex Shader还把顶点的编号与颜色值对应了起来。

 

观察结果

先用GL_POINTS来试验,根据上文的测试用例,会得到如下的画面。

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

可以看到,VBO里的顶点位置从中心到外面,而且是沿着一条直线延伸出来,颜色由黑色变为红色,这印证了前面的VBO设定和Shader的功能。

再用随机位置的点试验。( vertices[i] = (float)(random.NextDouble() * 2 - 1); 

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

 

看不出问题,但也不能印证什么了。

 

未完待续

再用GL_TRIANGLES试验。

Modern OpenGL用Shader拾取VBO内单一图元的思路和实现

 

发现一个问题,对于一个三角形,在其三个顶点附近分别得到了3个不同的颜色值(且是相邻的)。这很正常,顶点所在位置保持gl_FragColor的值,3个顶点之间是用线性插值得到的颜色值。对于GL_TRIANGLES,没有共用的顶点,所以仍然可以判断出拾取的是哪个三角形。但是对于GL_TRIANGLE_STRIP这种到处都是共用顶点的情况,就不能区分出拾取的是哪个三角形了。这个问题我们下回分解。

 

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