一、简介
本文介绍了 OpenGL 中 Transform Feedback 方法的基本概念和代码示例。
二、Transform Feedback 介绍
1. Transform Feedback 简介
根据 OpenGL-wiki,Transform Feedback 是捕获由顶点处理步骤(vertex shader 和 geometry shader)生成的图元(Primitives)的过程,将这些图元的数据记录到缓冲区对象(Buffer Objects)中。这样可以保留物体的变换后渲染状态,(在GPU中)多次重新提交这些数据。
简单来讲,使用 Transform Feedback 可以将 vertex shader 和 geometry shader 处理后的数据存储到指定的 Buffer Objects 中,而不继续进行后续的 Clipper、Rasterizaer 和 Test & Blending 阶段。
Transform Feedback Buffer 在渲染管线中所处的位置如下图所示:
2. 使用 Transform feedback 可实现的功能
- 实现粒子系统:
在粒子系统中,Transform Feedback 可以用来捕获粒子的状态信息(如位置、速度、颜色等),然后将这些数据存储到缓冲区中。在每一帧中,系统可以通过 Transform Feedback 来更新粒子的状态,从而避免在CPU中重新计算整个粒子系统。这种方式能有效地避免 CPU 参与数据更新,提高系统的性能。 - 进行GPU并行运算:
使用 Transform Feedback,可以在 vertex shader 中执行并行计算任务,将计算结果直接存储在 Transform Feedback 对应的 buffer 中 (GPU 内存中)。
例如,可以在 vertex shader 中执行物理计算(如模拟重力或其他力学运动),并将计算结果(例如新的顶点位置)存储在 buffer 中,作为新渲染 shader program 的输入,或者直接作为结果传输到 CPU 上。而不需要每次都在 CPU 计算再传输到 GPU 中。
三、使用示例
1. 使用 Transform Feedback 与 vertex shader
在本例中,使用 Transform feedback 方法在 GPU (vertex shader) 中进行并行运算,将输入的数据开平方后存储到 Transform feedback 对应的 buffer 中再传到 CPU 中进行打印输出。
1.1. 步骤
- 初始化 glfw, glad, 窗口
- 构建,编译 vertex shader
- 指定 Transform feedback object 的接收变量
- 链接 shader program
- 准备输入数据, VAO 和 VBO
- 设置绑定到 Transform feedback object 上的 buffer,用于接收输出数据
- 运行 shader 程序
7.1 use shader program
7.2 disable rasterizer
7.3 begin transform feedback
7.4 bind VAO
7.5 draw
7.6 end transform feedback - 将 Transform feedback buffer 中的数据传输到 CPU
- 释放资源
1.2. 代码
#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>#include <iostream>
// 用于处理窗口大小改变的回调函数
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow *window, int width, int height);
// 用于处理用户输入的函数
void processInput(GLFWwindow *window);// 指定窗口默认width和height像素大小
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;/****** vertex shader 代码 ******/
const char *vertexShaderSource = R"(
#version 330 core
layout (location = 0) in float inputValue;
out float outputValue;
void main()
{outputValue = sqrt(inputValue);
}
)";
/************************************/int main()
{/****** 1.初始化glfw, glad, 窗口 *******/// glfw 初始化 + 配置 glfw 参数glfwInit();glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);// glfw 生成窗口// (由于我们只使用 Transform feedback 进行并行运算,因此实际上不生成窗口也可以)GLFWwindow *window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);if (window == NULL){// 检查是否成功生成窗口,如果没有成功打印出错信息并且退出std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;glfwTerminate();return -1;}// 设置窗口window的上下文glfwMakeContextCurrent(window);// 配置window变化时的回调函数glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);// 使用 glad 加载 OpenGL 中的各种函数if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)){std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;return -1;}/************************************//****** 2.构建,编译 vertex shader ******/// vertex shaderunsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);glCompileShader(vertexShader);// 检查是否成功编译 vertex shaderint success;char infoLog[512];glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);if (!success){glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;}// 生成 shader 程序unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);/****** 3. 指定 Transform feedback object 的接收变量 ******/// 该步骤必须在 glLinkProgram() 之前进行// 因为使用 Transform feedback 会改变 shader 程序的渲染流程,因此需要先指定 Transform feedback 的接收变量,告诉// OpenGL 应该如何链接、编译 shader 程序,再进行 glLinkProgram()const char *feedbackVaryings[] = {"outputValue"}; // 我们希望接收 vertex shader 的输出变量 out float outputValue// glTransformFeedbackVaryings() 函数的参数解释:// (1). 目标 shader program// (2). 目标接收变量的个数,即 feedbackVaryings 数组中 字符串的个数// (3). 目标接收的变量名字符串数组// (4). 接收变量的存储目标. GL_INTERLEAVED_ATTRIBS, 表示所有输出变量都输出到 一个 buffer 中,// GL_SEPARATE_ATTRIBS 表示 输出变量输出到不同的 buffer 中. 此处我们选择将输出存储到 一个 buffer 中glTransformFeedbackVaryings(shaderProgram, 1, feedbackVaryings, GL_INTERLEAVED_ATTRIBS);/************************************//****** 4. 链接 shader program ******/glLinkProgram(shaderProgram); // 链接 shader program// 检查是否成功链接 vertex shader 和 fragment shaderglGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);if (!success){glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;}glDeleteShader(vertexShader);/************************************//****** 5.准备输入数据, VAO 和 VBO *******/float inputData[] = {0.0f, 0.5f, 1.0f};unsigned int VBO, VAO;glGenVertexArrays(1, &VAO); // 生成一个VAO对象glGenBuffers(1, &VBO); // 生成一个VBO对象glBindVertexArray(VAO); // 绑定VAOglBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); // 绑定VBOglBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(inputData), inputData,GL_STATIC_DRAW); // 将vertices中的数据复制到刚刚绑定的VBO buffer中去,VBO buffer是GPU内存上的一块区域// glVertexAttribPointer() 用于指定顶点属性如何从绑定的 VBO 中读取数据,// 此时绑定的 buffer 是 VBO,因此location=0 处的顶点属性就从VBO中读数据 glVertexAttribPointer()// 需要6个参数,每个参数的含义如下:// (1). 指定要配置的顶点属性, 即 shader 中指定 数据 location 值,对于position部分,此处填入 0// (2). 指定顶点属性的大小,shader中我们将VBO中的数据传给了一个 float 类型的变量,// 每个顶点数据只有一个 float, 因此此处填 1// (3). 指定数据的类型,用于使用的是浮点型,因此此处填入 GL_FLOAT// (4). 指定是否自动对数据进行归一化,我们不需要自动诡异化,因此此处填入 GL_FALSE// (5). 指定VBO中顶点数据组之间的间隔,可以手动设置间隔,例如 sizeof(float),// 也可以填 0 让 Opengl 自动设置// (6). 指定读取VBO数据起始位置偏移,单位为字节,这里填入 (void *)(0*sizeof(float)) 即可glVertexAttribPointer(0, 1, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0,(void *)(0 * sizeof(float))); // 设置如何读取VBO中数据glEnableVertexAttribArray(0); // 启用 location = 0 处的顶点属性glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0); // 解绑VBO/************************************//****** 6. 设置绑定到 Transform feedback object 上的 buffer,用于接收输出数据 ******/// 新建一个 buffer 用于作为 Transform feedback object 的 buffer,用来接收 计算后的输出结果GLuint tbo;glGenBuffers(1, &tbo);glBindBuffer(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, tbo);glBufferData(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, sizeof(inputData), nullptr, GL_STATIC_READ);// 将 tbo 绑定到 TFO 的 0号卡槽上, 此处不对卡槽机制进行过多的讲解glBindBufferBase(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, tbo);/************************************//****** 7. 运行 shader 程序 ******/// 7.1 use shader programglUseProgram(shaderProgram);// 关闭 光栅化阶段, 只使用 vertex shader 和 geometry shader (如果有的话) 阶段// 7.2 disable rasterizerglEnable(GL_RASTERIZER_DISCARD);// 开始绘制 Transform feedback// 此处只有 vertex shader,因此 glBeginTransformFeedback() 中指定的 图元 需要跟 glDrawArray() 中的相同// 7.3 begin transform feedbackglBeginTransformFeedback(GL_POINTS);// 7.4 bind VAOglBindVertexArray(VAO); // 绑定VAO,指定当前使用的VAO对象// 7.5 drawglDrawArrays(GL_POINTS, 0,3); // 输入数据数据只有三个 float,因此可以将每个数据分配给一个 point ,在 vertex shader 中进行计算处理// 7.6 end transform feedbackglEndTransformFeedback(); // 结束 Transform feedback// 开启 光栅化阶段glDisable(GL_RASTERIZER_DISCARD);glBindVertexArray(0); // 解绑 VAOglFlush(); // 刷新 gl 命令 buffer 保证前面的命令都运行完成/************************************//****** 8. 将 Transform feedback buffer 中的数据传输到 CPU ******/// 接收 Transform feedback 对应的 buffer (tbo) 中的数据GLfloat feedback[3];glGetBufferSubData(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, sizeof(feedback), feedback);for (int i = 0; i < 3; i++){printf("%f\n", feedback[i]);}/************************************//****** 9.释放资源 ******/// 释放之前申请的 VBO, VAO 资源和 shader 程序glDeleteVertexArrays(1, &VAO);glDeleteBuffers(1, &VBO);glDeleteProgram(shaderProgram);// glfw 释放 glfw使用的所有资源glfwTerminate();/************************************/return 0;
}// 用于处理用户输入的函数
void processInput(GLFWwindow *window)
{// 当按下 Esc 按键时调用 glfwSetWindowShouldClose() 函数,关闭窗口if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}// 在使用 OpenGL 和 GLFW 库时,处理窗口大小改变的回调函数
// 当窗口大小发生变化时,确保 OpenGL 渲染的内容能够适应新的窗口大小,避免图像被拉伸、压缩或出现其他比例失真的问题
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow *window, int width, int height)
{glViewport(0, 0, width, height);
}
1.3. 运行结果
0.000000
0.707107
1.000000
2. 使用 Transform Feedback 与 vertex + geometry shader
在本例中,使用 Transform feedback 方法在 vertex shader 和 geometry shader 中进行并行运算,在 vertex shader 中将输入的数据开平方,然后在 geometry shader 中将一份数据分别加0, 加1和加2,变为三份数据。最后存储到 Transform feedback 对应的 buffer 中再传到 CPU 中进行打印输出。
2.1. 步骤
- 初始化 glfw, glad, 窗口
- 构建,编译 vertex shader , geometry shader
- 指定 Transform feedback object 的接收变量
- 链接 shader program
- 准备输入数据, VAO 和 VBO
- 设置绑定到 Transform feedback object 上的 buffer,用于接收输出数据
- 运行 shader 程序
7.1 use shader program
7.2 disable rasterizer
7.3 begin transform feedback
7.4 bind VAO
7.5 draw
7.6 end transform feedback - 将 Transform feedback buffer 中的数据传输到 CPU
- 释放资源
2.2 代码
#include <glad/glad.h>
#include <GLFW/glfw3.h>#include <iostream>
// 用于处理窗口大小改变的回调函数
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow *window, int width, int height);
// 用于处理用户输入的函数
void processInput(GLFWwindow *window);// 指定窗口默认width和height像素大小
const unsigned int SCR_WIDTH = 800;
const unsigned int SCR_HEIGHT = 600;/****** vertex shader 代码 ******/
const char *vertexShaderSource = R"(
#version 330 core
layout (location = 0) in float inputValue;
out float geoValue;
void main()
{geoValue = sqrt(inputValue);
}
)";/****** geometry shader 代码 ******/
const char *geometryShaderSource = R"(
#version 330 core
layout (points) in;
layout (triangle_strip, max_vertices=3) out;
in float[] geoValue;
out float outputValue;
void main()
{for(int i=0; i<3; i++){outputValue = geoValue[0] + i;EmitVertex();}EndPrimitive();
}
)";/************************************/int main()
{/****** 1.初始化glfw, glad, 窗口 *******/// glfw 初始化 + 配置 glfw 参数glfwInit();glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);// glfw 生成窗口// (由于我们只使用 Transform feedback 进行并行运算,因此实际上不生成窗口也可以)GLFWwindow *window = glfwCreateWindow(SCR_WIDTH, SCR_HEIGHT, "LearnOpenGL", NULL, NULL);if (window == NULL){// 检查是否成功生成窗口,如果没有成功打印出错信息并且退出std::cout << "Failed to create GLFW window" << std::endl;glfwTerminate();return -1;}// 设置窗口window的上下文glfwMakeContextCurrent(window);// 配置window变化时的回调函数glfwSetFramebufferSizeCallback(window, framebuffer_size_callback);// 使用 glad 加载 OpenGL 中的各种函数if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)){std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;return -1;}/************************************//****** 2.构建,编译 vertex shader, geometry shader ******/// vertex shaderunsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);glCompileShader(vertexShader);// 检查是否成功编译 vertex shaderint success;char infoLog[512];glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);if (!success){glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;}// geometry shaderunsigned int geometryShader = glCreateShader(GL_GEOMETRY_SHADER);glShaderSource(geometryShader, 1, &geometryShaderSource, NULL);glCompileShader(geometryShader);// 检查是否成功编译 geometry shaderglGetShaderiv(geometryShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);if (!success){glGetShaderInfoLog(geometryShader, 512, NULL, infoLog);std::cout << "ERROR::SHADER::GEOMETRY::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;}// 生成 shader 程序unsigned int shaderProgram = glCreateProgram();glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);glAttachShader(shaderProgram, geometryShader);/****** 3. 指定 Transform feedback object 的接收变量 ******/// 该步骤必须在 glLinkProgram() 之前进行// 因为使用 Transform feedback 会改变 shader 程序的渲染流程,因此需要先指定 Transform feedback 的接收变量,告诉// OpenGL 应该如何链接、编译 shader 程序,再进行 glLinkProgram()const char *feedbackVaryings[] = {"outputValue"}; // 我们希望接收 vertex shader 的输出变量 out float outputValue// glTransformFeedbackVaryings() 函数的参数解释:// (1). 目标 shader program// (2). 目标接收变量的个数,即 feedbackVaryings 数组中 字符串的个数// (3). 目标接收的变量名字符串数组// (4). 接收变量的存储目标. GL_INTERLEAVED_ATTRIBS, 表示所有输出变量都输出到 一个 buffer 中,// GL_SEPARATE_ATTRIBS 表示 输出变量输出到不同的 buffer 中. 此处我们选择将输出存储到 一个 buffer 中glTransformFeedbackVaryings(shaderProgram, 1, feedbackVaryings, GL_INTERLEAVED_ATTRIBS);/************************************//****** 4. 链接 shader program ******/glLinkProgram(shaderProgram); // 链接 shader program// 检查是否成功链接 vertex shader 和 fragment shaderglGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);if (!success){glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << infoLog << std::endl;}glDeleteShader(vertexShader);glDeleteShader(geometryShader);/************************************//****** 5.准备输入数据, VAO 和 VBO *******/float inputData[] = {0.0f, 0.5f, 1.0f};unsigned int VBO, VAO;glGenVertexArrays(1, &VAO); // 生成一个VAO对象glGenBuffers(1, &VBO); // 生成一个VBO对象glBindVertexArray(VAO); // 绑定VAOglBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); // 绑定VBOglBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(inputData), inputData,GL_STATIC_DRAW); // 将vertices中的数据复制到刚刚绑定的VBO buffer中去,VBO buffer是GPU内存上的一块区域// glVertexAttribPointer() 用于指定顶点属性如何从绑定的 VBO 中读取数据,// 此时绑定的 buffer 是 VBO,因此location=0 处的顶点属性就从VBO中读数据 glVertexAttribPointer()// 需要6个参数,每个参数的含义如下:// (1). 指定要配置的顶点属性, 即 shader 中指定 数据 location 值,对于position部分,此处填入 0// (2). 指定顶点属性的大小,shader中我们将VBO中的数据传给了一个 float 类型的变量,// 每个顶点数据只有一个 float, 因此此处填 1// (3). 指定数据的类型,用于使用的是浮点型,因此此处填入 GL_FLOAT// (4). 指定是否自动对数据进行归一化,我们不需要自动诡异化,因此此处填入 GL_FALSE// (5). 指定VBO中顶点数据组之间的间隔,可以手动设置间隔,例如 sizeof(float),// 也可以填 0 让 Opengl 自动设置// (6). 指定读取VBO数据起始位置偏移,单位为字节,这里填入 (void *)(0*sizeof(float)) 即可glVertexAttribPointer(0, 1, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0,(void *)(0 * sizeof(float))); // 设置如何读取VBO中数据glEnableVertexAttribArray(0); // 启用 location = 0 处的顶点属性glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0); // 解绑VBO/************************************//****** 6. 设置绑定到 Transform feedback object 上的 buffer,用于接收输出数据 ******/// 新建一个 buffer 用于作为 Transform feedback object 的 buffer,用来接收 计算后的输出结果GLuint tbo;glGenBuffers(1, &tbo);glBindBuffer(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, tbo);// 注意!!! 由于我们使用 geometry shader 将一个输入变量(geoValue)变为三个输出(outputValue),// 因此 Transform feedback object 中用于接收数据的 buffer 大小应该为输入数据的 3 倍大glBufferData(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, sizeof(inputData) * 3, nullptr, GL_STATIC_READ);// 将 tbo 绑定到 TFO 的 0号卡槽上, 此处不对卡槽机制进行过多的讲解glBindBufferBase(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, tbo);/************************************//****** 7. 运行 shader 程序 ******/// 7.1 use shader programglUseProgram(shaderProgram);// 7.2 disable rasterizer// 关闭 光栅化阶段, 只使用 vertex shader 和 geometry shader (如果有的话) 阶段glEnable(GL_RASTERIZER_DISCARD);// 7.3 begin transform feedback// 开始绘制 Transform feedback// 注意!!! 由于此时使用了 geometry shader, glBeginTransformFeedback() 中的图元应该与 geometry shader 的输出一致,// 尽管 geometry shader 中的 out 图元为 triangle_strip,// 但是 transform feedback 依旧独立地存储每个 triangle 的顶点数据,// 而不是使用 strip 对数据进行压缩glBeginTransformFeedback(GL_TRIANGLES);// 7.4 bind VAOglBindVertexArray(VAO); // 绑定VAO,指定当前使用的VAO对象// 7.5 drawglDrawArrays(GL_POINTS, 0,3); // 输入数据数据只有三个 float,因此可以将每个数据分配给一个 point ,在 vertex shader 中进行计算处理// 7.6 end transform feedbackglEndTransformFeedback(); // 结束 Transform feedback// 开启 光栅化阶段glDisable(GL_RASTERIZER_DISCARD);glBindVertexArray(0); // 解绑 VAOglFlush(); // 刷新 gl 命令 buffer 保证前面的命令都运行完成/************************************//****** 8. 将 Transform feedback buffer 中的数据传输到 CPU ******/// 接收 Transform feedback 对应的 buffer (tbo) 中的数据GLfloat feedback[9];glGetBufferSubData(GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER, 0, sizeof(feedback), feedback);for (int i = 0; i < 9; i++){printf("%f\n", feedback[i]);}/************************************//****** 9.释放资源 ******/// 释放之前申请的 VBO, VAO 资源和 shader 程序glDeleteVertexArrays(1, &VAO);glDeleteBuffers(1, &VBO);glDeleteProgram(shaderProgram);// glfw 释放 glfw使用的所有资源glfwTerminate();/************************************/return 0;
}// 用于处理用户输入的函数
void processInput(GLFWwindow *window)
{// 当按下 Esc 按键时调用 glfwSetWindowShouldClose() 函数,关闭窗口if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)glfwSetWindowShouldClose(window, true);
}// 在使用 OpenGL 和 GLFW 库时,处理窗口大小改变的回调函数
// 当窗口大小发生变化时,确保 OpenGL 渲染的内容能够适应新的窗口大小,避免图像被拉伸、压缩或出现其他比例失真的问题
void framebuffer_size_callback(GLFWwindow *window, int width, int height)
{glViewport(0, 0, width, height);
}
2.3 结果
0.000000
1.000000
2.000000
0.707107
1.707107
2.707107
1.000000
2.000000
3.000000
四、参考
[1.] OpenGL-Transform Feedback
[2.] OpenGL–Transform feedback示例解析
[3.] OpenGL-wiki-Transform Feedback