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

时间:2022-05-18 15:58:49

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

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

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

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

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

+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(, , targetImage.Width, targetImage.Height),
ImageLockMode.ReadOnly, PixelFormat.Format32bppArgb);
//GL.ActiveTexture(GL.GL_TEXTURE0);
GL.GenTextures(, texture);
GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_2D, texture[]);
GL.TexImage2D(GL.GL_TEXTURE_2D, , (int)GL.GL_RGBA,
targetImage.Width, targetImage.Height, , 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(, m_nTexId);

             GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, m_nTexId[]);
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, , (int)GL.GL_RGBA, m_uImageWidth, m_uImageHeight, m_uImageCount, ,
GL.GL_RGBA, GL.GL_UNSIGNED_BYTE, pRGBABuffer.Header);
GL.BindTexture(GL.GL_TEXTURE_3D, );
 

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 = -; fIndx <= ; 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, );

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  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  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 = ; 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[];
GL.GenVertexArrays(, buffers); this.ID = buffers[]; 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。