前言

在 OpenGL 的渲染管线中，用于存储颜色值和测试结果的二维数组的几何被称为 帧缓冲区（frame buffer）。这些二维数组按用途划分，可分为 颜色缓冲区（color buffer），深度缓冲区（depth buffer），模版缓冲区（stencil buffer）。

当创建了一个可供 OpenGL 绘制用的窗体后，窗体系统会为自动生成一个默认的帧缓冲区，这个帧缓冲区完全是由窗体系统来管理的，且仅用于 将渲染后的图像输出到窗口的显示区域。

窗体系统创建的帧缓冲区也有对应的帧缓冲区对象(Framebuffer-Object：FBO)的实例。但是，这个 FBO 与额外创建的 FBO 相比有许多不同：

通过额外创建的 FBO 不能用于将渲染结果直接显示到窗口输出区，只能用于离屏渲染（Off-screen Rendering）；
窗体系统生成的 FBO 在创建的时候就拥有颜色缓冲区，深度缓冲区，模版缓冲区，且创建后就为这些缓冲区分配了空间；而额外创建的FBO需要手动为其添加各个缓冲区，并为其申请空间。
窗体系统创建的 FBO 中的各个缓冲区对象不能与手动创建的 FBO 混用。

帧缓冲

把用于写入颜色值的 颜色缓冲，用于写入深度信息的 深度缓冲 和根据一些条件丢弃特定片段的 模板缓冲 结合起来叫做 **帧缓冲(Framebuffer)**。

一个完整的帧缓冲需要满足以下的条件：

附加至少一个缓冲（颜色、深度或模板缓冲）。
至少有一个颜色附件(Attachment)。
所有的附件都必须是完整的（保留了内存）。
每个缓冲都应该有相同的样本数。

附件是一个内存位置，它能够作为帧缓冲的一个缓冲(可以将它想象为一个图像)。当创建一个附件的时候有两个选项：纹理附件 或 渲染缓冲对象(Renderbuffer Object)附件。

通过使用**GLenum glCheckFramebufferStatus( GLenum target);** 以 GL_FRAMEBUFFER 作为参数检测当前绑定的帧缓冲，根据返回值来判断是否完整(如果是 GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE，则完整，更多返回值参看这里)。

离屏渲染

当自定义的帧缓冲(不是默认缓冲)是完整的并且已经绑定激活，之后所有的渲染操作将会渲染到当前绑定帧缓冲的附件中；此时渲染指令将不会对窗口的视觉输出有任何影响。这种渲染到一个不同的帧缓冲被叫做 **离屏渲染(Off-screen Rendering)**。

如果要保证所有的渲染操作在主窗口中有视觉效果，需要再次激活默认帧缓冲（将它绑定到 0）：

1	glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

纹理附件

当把一个纹理附加到帧缓冲的时候，所有的渲染指令将会写入到这个纹理中，就像是一个普通的 颜色/深度或模板缓冲一样。使用纹理的优点是，所有渲染操作的结果将会被储存在一个纹理图像中。

创建帧缓冲(颜色)纹理附件大致如下：

unsigned int texture;
glGenTextures(1, &texture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, 800, 600, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

为帧缓冲创建一个纹理和创建一个普通的纹理主要区别在于：

将维度设置为了屏幕大小（但不是必须的）；
给纹理的 data 参数传递了 NULL；
对于这个纹理，仅仅分配了内存而没有填充它（填充这个纹理将会在渲染到帧缓冲之后来进行）；
无需设置 环绕方式 或 多级渐远纹理（因为在大多数情况下都不会需要）；

通过使用 glFrameBufferTexture2D(GLenum target, GLenum attachment, GLenum textarget, GLuint texture, GLint level) 将（纹理）附件附加到帧缓冲上：
- target：帧缓冲的目标：
  - GL_DRAW_FRAMEBUFFER：绘制；
  - GL_READ_FRAMEBUFFER：读取；
  - GL_FRAMEBUFFER：（绘制、读取）两者皆有；
- attachment：附加的附件(缓冲)类型：
  - GL_COLOR_ATTACHMENT0：颜色附件(缓冲)（可以附加多个）；
    
    （在glTexImage2D将格式(Format)和内部格式(Internalformat)设置为：GL_RGB）。
  - GL_DEPTH_ATTACHMENT：深度附件(缓冲)；
    
    （在glTexImage2D将格式(Format)和内部格式(Internalformat)：GL_DEPTH_COMPONENT）。
  - GL_STENCIL_ATTACHMENT：模板附件(缓冲)；
    
    （在glTexImage2D将格式(Format)设置为：GL_STENCIL_ATTACHMENT，将内部格式(Internalformat)设置为：GL_STENCIL_INDEX）。
- textarget：附加的纹理类型（如 2D 纹理：GL_TEXTURE_2D）。
- texture：附加的纹理本身。
- level：多级渐远纹理的级别（通常保留为 0）。

除了颜色附件之外，也可以将一个深度和模板缓冲附加为一个纹理到帧缓冲：

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glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_DEPTH24_STENCIL8, 800, 600, 0, GL_DEPTH_STENCIL, GL_UNSIGNED_INT_24_8, NULL);

glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT, GL_TEXTURE_2D, texture, 0);

纹理的每 32 位数值将包含 24 位的深度信息和 8位的模板信息。

渲染缓冲对象附件

渲染缓冲对象(Renderbuffer Object)：是在纹理之后（在过去纹理是唯一可用的附件）引入到 OpenGL 中，作为一个可用的帧缓冲附件类型的。其好处是，将数据储存为 OpenGL 原生的渲染格式，是为离屏渲染到帧缓冲优化过的。
渲染缓冲对象直接将所有的渲染数据储存到它的缓冲中，不会做任何针对纹理格式的转换，让它变为一个更快的可写储存介质。所以你不能读取它们（比如使用纹理访问），但仍然还是能够使用 glReadPixels 来读取它，这会从当前绑定的帧缓冲，而不是附件本身，中返回特定区域的像素。
通过使用glFramebufferRenderbuffer(GLenum target, GLenum attachment, GLenum renderbuffertarget, GLuint renderbuffer); 附加渲染缓冲对象到帧缓冲中：

由于渲染缓冲对象通常都是只写的，会经常用于深度和模板附件，因为大部分时间我们都不需要从深度和模板缓冲中读取值，只关心深度和模板测试。

渲染缓冲和纹理附件区别：

创建一个渲染缓冲对象和纹理对象类似，其区别在于：

渲染缓冲对象附件是专门被设计作为图像使用的，
纹理附件通用数据缓冲(General Purpose Data Buffer)。

渲染缓冲对象和纹理使用一般规则：

通常的规则是，如果不需要从一个缓冲中采样数据，则选择使用使用渲染缓冲对象附件。如果需要从缓冲中采样颜色或深度值等数据，则选择纹理附件。

渲染到纹理

帧缓冲创建大致流程：

创建帧缓冲并绑定：

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GLuint frameBuffer; // 帧缓冲对象
  glGenFramebuffers(1, &frameBuffer); // 生成帧缓冲对象
  glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, frameBuffer); // 绑定帧缓冲

创建帧缓冲 纹理附件，并将其作为 颜色缓冲 添加到帧缓冲上：

GLuint texColorBuffer;	// 纹理附件
  glGenTextures(1, &texColorBuffer);  // 生成纹理
  glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texColorBuffer);   // 绑定纹理对象到激活 2D 纹理中
  glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, 800, 600, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);   // 创建纹理图像（注意：暂时没有填充图像数据）
  glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);   // 纹理缩小过滤方式：线性过滤
  glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);   // 纹理放大过滤方式：线性过滤
  glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);    // 解绑纹理
  glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_TEXTURE_2D, texColorBuffer, 0);   // 将纹理附件添加到帧缓冲上

创建帧缓冲 渲染缓冲对象附件，并将其作为 深度(和模板)缓冲 添加到帧缓冲上：

GLuint rbo; // 渲染缓冲对象（Render Buffer Object）
  glGenRenderbuffers(1, &rbo);    // 生成渲染缓冲对象
  glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, rbo);   // 绑定渲染缓冲对象
  glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH24_STENCIL8, 800, 600);  // 创建渲染缓冲对象
  glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, 0); // 已经分配足够内存的渲染缓冲对象，可以将其解绑
  glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_ATTACHMENT, GL_RENDERBUFFER, rbo);   // 将渲染缓冲附件添加到帧缓冲上

检查创建的帧缓冲是否完整：

if (GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE != glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER))
  {
      std::cout << "帧缓冲不完整，创建帧缓冲失败！" << std::endl;
      glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);   // 帧缓冲不完整，需要将其解绑，以免渲染错误
  }

绘制场景到一个纹理上大致的步骤：

将新的帧缓冲绑定为激活的帧缓冲，和往常一样渲染场景
绑定默认的帧缓冲
绘制一个横跨整个屏幕的四边形，将帧缓冲的颜色缓冲作为它的纹理。

小结： 帧缓冲的应用原理：

先把场景绘制到创建的帧缓冲的纹理（颜色缓冲）附件上；

然后默认缓冲绘制覆盖整个窗口的四边形；

最后将其纹理贴到四边形中。

后期处理

反相

从屏幕纹理中取颜色值，然后用 1.0 减去它，即可对它进行反相：

void main()
{
    FragColor = vec4 (vec3 (1.0 - texture(texture1, TexCoords)), 1.0);
}

灰度

移除场景中除了 黑、白、灰 以外所有的颜色，让整个图像 **灰度化(Grayscale)**：

最简单的方式是，取所有的颜色分量，进行平均化：

void main()
{
    FragColor = texture(screenTexture, TexCoords);
    float average = (FragColor.r + FragColor.g + FragColor.b) / 3.0;
    FragColor = vec4(average, average, average, 1.0);
}

由于人眼会对绿色更加敏感一些，而对蓝色不那么敏感，因此使用 加权的(Weighted) 通道：

void main()
{
    FragColor = texture(screenTexture, TexCoords);
    float average = 0.2126 * FragColor.r + 0.7152 * FragColor.g + 0.0722 * FragColor.b;
    FragColor = vec4(average, average, average, 1.0);
}

核效果

核(Kernel)（或卷积矩阵(Convolution Matrix)）：是一个类矩阵的数值数组，其中心为当前的像素，它会用它的核值乘以周围的像素值，并将结果相加变成一个值。基本上是在对当前像素周围的纹理坐标添加一个小的偏移量(例如：0.003)，并根据核将结果合并。例如（大大多数都是 3 x 3 核）：

这个核取了 8 个周围像素值，将它们乘以 2，而把当前的像素乘以 -15。这个核的例子将周围的像素乘上了一个权重，并将当前像素乘以一个比较大的负权重来平衡结果。

大部分核将所有的权重加起来之后都应该会等于 1，如果它们加起来不等于1，这就意味着最终的纹理颜色将会比原纹理值更亮或者更暗了。

常见的核效果（后期处理）：

锐化(Sharpen)·卷积矩阵：

图像锐化(image sharpening)是补偿图像的轮廓，增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得清晰。
模糊(Blur)·卷积矩阵
边缘检测(Edge-detection)·卷积矩阵

边缘检测的目的是标识数字图像中亮度变化明显的点。

注意：核在对屏幕纹理的边缘进行采样的时候，由于还会对中心像素周围的 8 个像素进行采样，导致会取到纹理之外的像素。由于默认的环绕方式是 GL_REPEAT，因此取到的是屏幕另一边的像素（就可能会在屏幕边缘产生很奇怪的条纹）。

所以，将屏幕纹理(即帧缓冲对应的纹理)的环绕方式都设置为 GL_CLAMP_TO_EDGE；这样就会在处理边缘像素时，对周围的像素进行采样时，就能够重复边缘的像素来更精确地估计最终的值了。

Demo

参考

教程来源：https://learnopengl.com/。

ShenYuanLuo的博客

OpenGL学习笔记（二十五）—— Frame Buffers

前言

帧缓冲