CSharpGL(8)使用3D纹理渲染体数据 (Volume Rendering) 初探

CSharpGL(8)使用3D纹理渲染体数据 (Volume Rendering) 初探

 

2016-08-13

由于CSharpGL一直在更新，现在这个教程已经不适用最新的代码了。CSharpGL源码中包含10多个独立的Demo，更适合入门参考。

为了尽可能提升渲染效率，CSharpGL是面向Shader的，因此稍有难度。

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

一图抵千言

您可以在（http://files.cnblogs.com/files/bitzhuwei/VolumeRendering01.rar）下载此demo，或者到（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）下载完整源码。

此demo来源于

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

3D纹理

比较常见的可能是２D纹理。用GL.TexImage2D(GL.GL_TEXTURE_2D,…);来设定2D纹理的数据。

            // generate texture.
            {
                //  Lock the image bits (so that we can pass them to OGL).
                BitmapData bitmapData = targetImage.LockBits(new Rectangle(0, 0, targetImage.Width, targetImage.Height),
                    ImageLockMode.ReadOnly, PixelFormat.Format32bppArgb);
                //GL.ActiveTexture(GL.GL_TEXTURE0);
                GL.GenTextures(1, texture);
                GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
                GL.TexImage2D(GL.GL_TEXTURE_2D, 0, (int)GL.GL_RGBA,
                    targetImage.Width, targetImage.Height, 0, GL.GL_BGRA, GL.GL_UNSIGNED_BYTE,
                    bitmapData.Scan0);
                //  Unlock the image.
                targetImage.UnlockBits(bitmapData);
                /* We require 1 byte alignment when uploading texture data */
                //GL.PixelStorei(GL.GL_UNPACK_ALIGNMENT, 1);
                /* Clamping to edges is important to prevent artifacts when scaling */
                GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_S, (int)GL.GL_CLAMP_TO_EDGE);
                GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_T, (int)GL.GL_CLAMP_TO_EDGE);
                /* Linear filtering usually looks best for text */
                GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
                GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_2D, GL.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
            }

 

类似地可以用GL.TexImage3D(GL.GL_TEXTURE_3D来设置一个3D纹理。

            GL.GenTextures(1, m_nTexId);

            GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, m_nTexId[0]);
            GL.TexEnvi(GL.GL_TEXTURE_ENV, GL.GL_TEXTURE_ENV_MODE, (int)GL.GL_REPLACE);
            GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_S, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
            GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_T, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
            GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_WRAP_R, (int)GL.GL_CLAMP_TO_BORDER);
            GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_MAG_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);
            GL.TexParameteri(GL.GL_TEXTURE_3D, GL.GL_TEXTURE_MIN_FILTER, (int)GL.GL_LINEAR);

            //uint target, int level, int internalformat, int width, int height, int depth, int border, uint format, uint type, IntPtr pixels)

            GL.TexImage3D(GL.GL_TEXTURE_3D, 0, (int)GL.GL_RGBA, m_uImageWidth, m_uImageHeight, m_uImageCount, 0,
                GL.GL_RGBA, GL.GL_UNSIGNED_BYTE, pRGBABuffer.Header);
            GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, 0);

 

1D纹理是若干个点排成一排的一个线段。2D纹理是若干个1D纹理那样的线段排成的一个矩形。3D纹理是若干个2D纹理排成的一个长方体。如果理解了2D纹理，就可以推论到3D纹理上了。

Legacy OpenGL如何调用3D纹理渲染体数据？

OpenGL是不管什么体数据、volume rendering之类的，它只知道你设定了一个3D纹理，然后使用了这个纹理。

 

            GL.Clear(GL.GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL.GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

            GL.Enable(GL.GL_ALPHA_TEST);
            GL.AlphaFunc(GL.GL_GREATER, alphaThreshold);

            GL.Enable(GL.GL_BLEND);
            GL.BlendFunc(GL.GL_SRC_ALPHA, GL.GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA);

            GL.MatrixMode(GL.GL_TEXTURE);
            GL.LoadIdentity();

            GL.Enable(GL.GL_TEXTURE_3D);
            GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, m_pRawDataProc.GetTexture3D());
            for (float fIndx = -1; fIndx <= 1; fIndx += 0.01f)
            {
                GL.Begin(GL.GL_QUADS);

                GL.TexCoord3f(0.0f, 0.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
                GL.Vertex3f(-dOrthoSize, -dOrthoSize, fIndx);

                GL.TexCoord3f(1.0f, 0.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
                GL.Vertex3f(dOrthoSize, -dOrthoSize, fIndx);

                GL.TexCoord3f(1.0f, 1.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
                GL.Vertex3f(dOrthoSize, dOrthoSize, fIndx);

                GL.TexCoord3f(0.0f, 1.0f, ((float)fIndx + 1.0f) / 2.0f);
                GL.Vertex3f(-dOrthoSize, dOrthoSize, fIndx);

                GL.End();
            }
            GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, 0);

Modern OpenGL如何调用3D纹理渲染体数据？

Modern OpenGL渲染一个最简单的三角形都是很繁琐的（好处是执行效率高）。这里正好整理一下这个过程，以后我打算做个GUI的向导，让计算机自动生成那些模式化的代码，既避免低级错误，又加快开发效率，还利于新手学习。

首先写出shader

为什么要先写shader？

因为shader虽小，五脏俱全，渲染一个模型所需的各路英雄都在里面露脸了。敲定了shader，之后就可以据此来逐步完成其他零散的部分。

最基本的2个shader

下面是用3D纹理渲染的vertex shader：

#version 150 core

in vec3 in_Position;
in vec3 in_uv;
out vec3 pass_uv;

uniform mat4 MVP;

void main(void) 
{
    gl_Position = MVP * vec4(in_Position, 1.0);

    pass_uv = in_uv;
}

 

下面是用3D纹理渲染的fragment shader：

 

#version 150 core

out vec4 out_Color;
in vec3 pass_uv;

uniform sampler3D tex;

void main(void) 
{
    vec4 color = texture(tex, pass_uv);
    out_Color = color;
}

分析shader

shader敲定后，我们要从这里找到这样一些信息：

顶点属性

顶点属性都在vertex shader里。

这个例子中，有in_Position和in_uv两个属性。所以后面会有2个VBO。

其他

这个例子里还有一个' uniform sampler3D tex'，所以后面会有1个3D纹理。

总的来说，shader说的是如何渲染数据，它包含了数据和处理过程（即算法），所以在逻辑上是完整的。我们先写出shader，就可以以此为指导方针，创建VBO、纹理了。

然后初始化shader

这是比较固定的一个过程。在初始化过程中这个要靠前，因为其他部分是依赖它的。

 

        ShaderProgram InitializeShader()
        {    
            var vertexShaderSource = ManifestResourceLoader.LoadTextFile(@"VolumeRendering.DemoVolumeRendering01.vert");
            var fragmentShaderSource = ManifestResourceLoader.LoadTextFile(@"VolumeRendering.DemoVolumeRendering01.frag");

            var shaderProgram = new ShaderProgram();
            shaderProgram.Create(vertexShaderSource, fragmentShaderSource);

            shaderProgram.AssertValid();

            return shaderProgram;
        }

然后初始化各个VBO

我们基于下面这几条规律，设计初始化VBO的过程。

VBO所需数据在CPU内存中指定，在初始化VBO时上传到GPU内存，此后CPU内存中的数据不再需要。

OpenGL提供的设置VBO的指令glBufferData(GLenum target,GLsizeiptr size,const GLvoid * data,GLenum usage);和void glVertexAttribPointer( GLuint index, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride,const GLvoid * pointer);没有任何业务逻辑上的含义，很容易出错，且难以调试。

我习惯的使用VBO的方式是这样的：

一个VBO只存放模型的一个顶点属性（例如只存放位置或只存放颜色）。这样能尽可能缩短一个VBO的长度，利于处理大量数据。

一个VBO里只有一种基本的图形对象（例如只有三角形或只有六面体）。这个图形对象用一个struct描述。在CPU内存中设置模型数据时，不用void*而是用具体的struct*类型来赋值。例如：

                //创建位置VBO，并绑定到shader里的in_Position
                VR01PositionBuffer positionBuffer = new VR01PositionBuffer(strin_Position);
                //在CPU内存中申请VBO需要的内存空间（非托管数组）
                positionBuffer.Alloc(zFrameCount);
                //获取非托管数组的首地址，并转换为struct QuadPosition*类型
                QuadPosition* array = (QuadPosition*)positionBuffer.FirstElement();
                //设定VBO里的数值
                for (int i = 0; i < zFrameCount; i++)
                {
                    array[i] = new QuadPosition(
                        new vec3(-xLength, -yLength, (float)i / (float)zFrameCount - 0.5f),
                        new vec3(xLength, -yLength, (float)i / (float)zFrameCount - 0.5f),
                        new vec3(xLength, yLength, (float)i / (float)zFrameCount - 0.5f),
                        new vec3(-xLength, yLength, (float)i / (float)zFrameCount - 0.5f)
                        );
                }
                //上传VBO数据到GPU内存，并获取renderer（用于渲染）。此时VR01PositionBuffer positionBuffer已经不再需要。
                this.positionBufferRenderer = positionBuffer.GetRenderer();
                //释放CPU内存（刚刚申请的非托管数组）
                positionBuffer.Dispose();

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

初始化VAO

初始化VAO实际上就是把渲染过程执行一遍。

 

        public void Create(RenderEventArgs e, Shaders.ShaderProgram shaderProgram)
        {
            uint[] buffers = new uint[1];
            GL.GenVertexArrays(1, buffers);

            this.ID = buffers[0];

            this.Bind();
            foreach (var item in this.bufferRenderers)
            {
                item.Render(e, shaderProgram);
            }
            this.Unbind();
        }

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

遇到的问题

在legacy OpenGL里完全没有问题的渲染方式，换成modern OpenGL就出现问题了。

Volume rendering是需要开启blend的，这样才能画出半透明的效果。但是在modern OpenGL下，开启blend时，各个顶点的渲染顺序不同就会改变渲染出的结果。（legacy OpenGL则没有出现这个问题）

所以下一步需要对VBO里的顶点进行排序，使远离camera的顶点先被渲染。