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

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。

 

Legacy OpenGL VS Modern OpenGL

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

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

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

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）

    int objectID = gl_VertexID;
    gl_FragColor = vec4(
        float(objectID & 0xFF),
        float((objectID >> 8) & 0xFF),
        float((objectID >> 16) & 0xFF),
        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。

从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：

 

            const int length = 256 * 3;
            vertices = new float[length];
            Random random = new Random();
            // points
            for (int i = 0; i < length; i++)
            {
                vertices[i] = (float)(i) / (float)(length);
            }

 

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：

 

#version 150 core

in vec3 in_Position;
out vec4 pass_Color;
uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 modelMatrix;

void main(void) {
    // 坐标变换
    gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(in_Position, 1.0);

    // 根据编号计算对应颜色
    int objectID = gl_VertexID;
    pass_Color = vec4(
        float(objectID & 0xFF) / 255.0, 
        float((objectID >> 8) & 0xFF) / 255.0, 
        float((objectID >> 16) & 0xFF) / 255.0, 
        float((objectID >> 24) & 0xFF) / 255.0);
}

 

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。

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); ）

 

看不出问题，但也不能印证什么了。

 

未完待续

再用GL_TRIANGLES试验。

 

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。