CSharpGL(49)試水OpenGL軟實現

CSharpGL迎來了第49篇。本篇內容是用C#編寫一個OpenGL的軟實現。暫且將其命名為SoftGL。

目前已經實現了由Vertex Shader和Fragment Shader組成的Pipeline，其效果與顯卡支持的OpenGL實現幾乎相同。下圖左是常規(guī)OpenGL渲染的結果，右是SoftGL渲染的結果。

下載

CSharpGL已在GitHub開源，歡迎對OpenGL有興趣的同學加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

SoftGL也已在GitHub開源，歡迎對OpenGL有興趣的同學加入（https://github.com/bitzhuwei/SoftGL）

從使用者的角度開始

OpenGL的使用者就是OpenGL應用程序開發(fā)者（Dev）。

下面按其被執(zhí)行的先后順序陳列OpenGL相關的命令（只陳列最基本的命令）：

創(chuàng)建Device Context

用一個System.Windows.Forms.Control類型的對象即可。

最后會發(fā)現，這個Device Context的作用之一是為創(chuàng)建Render Context提供參數。目前在SoftGL中不需要這個參數。

創(chuàng)建Render Context

Render Context包含OpenGL的所有狀態(tài)字段。例如，當Dev調用glLineWidth(float width);時，Render Context會記下這一width值，從而使之長期有效（直到下次調用glLineWidth(float width);來修改它）。

可能同時存在多個Render Context，每個都保存自己的lineWidth等字段。當使用靜態(tài)的OpenGL函數static void glLineWidth(float width);時，它會首先找到當前的Render Context對象（詳見后面的MakeCurrent(..)），然后讓此對象執(zhí)行真正的glLineWidth(float width);函數。

可見Render Context就是一個典型的class，其偽代碼如下：

1 partial class SoftGLRenderContext: 2 { 3 private float lineWidth; 4 // .. other fields. 5 6 public static void glLineWidth(float width) 7 { 8 SoftGLRenderContext obj = SoftGLRenderContext .GetCurrentContext(); 9 if (obj != null) { obj.LineWidth(width); } 10 } 11 12 private void LineWidth(float width) 13 { 14 this.lineWidth = width; 15 } 16 17 // .. other OpenGL functions. 18 }

MakeCurrent(IntPtr dc, IntPtr rc);

函數static void MakeCurrent(IntPtr dc, IntPtr rc);不是OpenGL函數。它的作用是指定當前線程(Thread)與哪個Render Context對應，即在Dictionary<Thread, RenderContext>這一字典類型中記錄下Thread與Render Context的對應關系。

當然，如果rc為IntPtr.Zero，就是要解除當前Thread與其Render Context的對應關系。

偽代碼如下：

1 partial class SoftGLRenderContext 2 { 3 // Thread -> Binding Render Context Object. 4 static Dictionary<Thread, SoftGLRenderContext> threadContextDict = new Dictionary<Thread, SoftGLRenderContext>(); 5 6 // Make specified renderContext the current one of current thread. 7 public static void MakeCurrent(IntPtr deviceContext, IntPtr renderContext) 8 { 9 var threadContextDict = SoftGLRenderContext.threadContextDict; 10 if (renderContext == IntPtr.Zero) // cancel current render context to current thread. 11 { 12 SoftGLRenderContext context = null; 13 14 Thread thread = System.Threading.Thread.CurrentThread; 15 if (threadContextDict.TryGetValue(thread, out context)) 16 { 17 threadContextDict.Remove(thread); 18 } 19 } 20 else // change current render context to current thread. 21 { 22 SoftGLRenderContext context = GetContextObj(renderContext); 23 if (context != null) 24 { 25 SoftGLRenderContext oldContext = GetCurrentContextObj(); 26 if (oldContext != context) 27 { 28 Thread thread = Thread.CurrentThread; 29 if (oldContext != null) { threadContextDict.Remove(thread); } 30 threadContextDict.Add(thread, context); 31 context.DeviceContextHandle = deviceContext; 32 } 33 } 34 } 35 } 36 }

獲取OpenGL函數指針

在CSharpGL.Windows項目中，我們可以通過Win32 API找到在opengl32.dll中的OpenGL函數指針，并將其轉換為C#中的函數委托(Delegate)，從而可以像使用普通函數一樣使用OpenGL函數。其偽代碼如下：

1 public partial class WinGL : CSharpGL.GL 2 { 3 public override Delegate GetDelegateFor(string functionName, Type functionDeclaration) 4 { 5 Delegate del = null; 6 if (!extensionFunctions.TryGetValue(functionName, out del)) 7 { 8 IntPtr proc = Win32.wglGetProcAddress(name); 9 if (proc != IntPtr.Zero) 10 { 11 // Get the delegate for the function pointer. 12 del = Marshal.GetDelegateForFunctionPointer(proc, functionDeclaration); 13 14 // Add to the dictionary. 15 extensionFunctions.Add(functionName, del); 16 } 17 } 18 19 return del; 20 } 21 22 // Gets a proc address. 23 [DllImport("opengl32.dll", SetLastError = true)] 24 internal static extern IntPtr wglGetProcAddress(string name); 25 26 // The set of extension functions. 27 static Dictionary<string, Delegate> extensionFunctions = new Dictionary<string, Delegate>(); 28 }

此時我們想使用SoftGL，那么要相應地為其編寫一個SoftGL.Windows項目。這個項目通過在類似opengl32.dll的SoftOpengl32項目（或者SoftOpengl32.dll）中查找函數的方式來找到我們自己實現的OpenGL函數。其偽代碼如下：

1 partial class WinSoftGL : CSharpGL.GL 2 { 3 private static readonly Type thisType = typeof(SoftOpengl32.StaticCalls); 4 public override Delegate GetDelegateFor(string functionName, Type functionDeclaration) 5 { 6 Delegate result = null; 7 if (!extensionFunctions.TryGetValue(functionName, out result)) 8 { 9 MethodInfo methodInfo = thisType.GetMethod(functionName, BindingFlags.Static | BindingFlags.Public); 10 if (methodInfo != null) 11 { 12 result = System.Delegate.CreateDelegate(functionDeclaration, methodInfo); 13 } 14 15 if (result != null) 16 { 17 // Add to the dictionary. 18 extensionFunctions.Add(functionName, result); 19 } 20 } 21 22 return result; 23 } 24 25 // The set of extension functions. 26 static Dictionary<string, Delegate> extensionFunctions = new Dictionary<string, Delegate>(); 27 }

可見只需通過C#和.NET提供的反射機制即可實現。在找到System.Delegate.CreateDelegate(..)這個方法時，我感覺到一種“完美”。

此時，我們應當注意到另一個涉及大局的問題，就是整個SoftGL的框架結構。

SoftGL項目本身的作用與顯卡驅動中的OpenGL實現相同。操作系統(tǒng)（例如Windows）提供了一個opengl32.dll之類的方式來讓Dev找到OpenGL函數指針，從而使用OpenGL。CSharpGL項目是對OpenGL的封裝，具體地講，是對OpenGL的函數聲明的封裝，它不包含對OpenGL的實現、初始化等功能。這些功能是在CSharpGL.Windows中實現的。Dev通過引用CSharpGL項目和CSharpGL.Windows項目就可以直接使用OpenGL了。

如果不使用顯卡中的OpenGL實現，而是換做SoftGL，那么這一切就要相應地變化。SoftOpengl32項目代替操作系統(tǒng)的opengl32.dll。CSharpGL保持不變。SoftGL.Windows代替CSharpGL.Windows。Dev通過引用CSharpGL項目和SoftGL.Windows項目就可以直接使用軟實現的OpenGL了。

最重要的是，這樣保證了應用程序的代碼不需任何改變，應用程序只需將對CSharpGL.Windows的引用修改為對SoftGL.Windows的引用即可。真的。

創(chuàng)建ShaderProgram和Shader

根據OpenGL命令，可以推測一種可能的創(chuàng)建和刪除ShaderProgram對象的方式，偽代碼如下：

1 partial class SoftGLRenderContext 2 { 3 private uint nextShaderProgramName = 1; 4 5 // name -> ShaderProgram object 6 Dictionary<uint, ShaderProgram> nameShaderProgramDict = new Dictionary<uint, ShaderProgram>(); 7 8 private ShaderProgram currentShaderProgram = null; 9 10 public static uint glCreateProgram() // OpenGL functions. 11 { 12 uint id = 0; 13 SoftGLRenderContext context = ContextManager.GetCurrentContextObj(); 14 if (context != null) 15 { 16 id = context.CreateProgram(); 17 } 18 19 return id; 20 } 21 22 private uint CreateProgram() 23 { 24 uint name = nextShaderProgramName; 25 var program = new ShaderProgram(name); //create object. 26 this.nameShaderProgramDict.Add(name, program); // bind name and object. 27 nextShaderProgramName++; // prepare for next name. 28 29 return name; 30 } 31 32 public static void glDeleteProgram(uint program) 33 { 34 SoftGLRenderContext context = ContextManager.GetCurrentContextObj(); 35 if (context != null) 36 { 37 context.DeleteProgram(program); 38 } 39 } 40 41 private void DeleteProgram(uint program) 42 { 43 Dictionary<uint, ShaderProgram> dict = this.nameShaderProgramDict; 44 if (!dict.ContainsKey(program)) { SetLastError(ErrorCode.InvalidValue); return; } 45 46 dict.Remove(program); 47 } 48 }

創(chuàng)建ShaderProgram對象的邏輯很簡單，首先找到當前的Render Context對象，然后讓它創(chuàng)建一個ShaderProgram對象，并使之與一個name綁定（記錄到一個Dictionary<uint, ShaderProgram>字典類型的字段中）。刪除ShaderProgram對象的邏輯也很簡單，首先判斷參數是否合法，然后將字典中的ShaderProgram對象刪除即可。

OpenGL中的很多對象都遵循這樣的創(chuàng)建模式，例如Shader、Buffer、VertexArrayObject、Framebuffer、Renderbuffer、Texture等。

ShaderProgram是一個大塊頭的類型，它要處理很多和GLSL Shader相關的東西。到時候再具體說。

創(chuàng)建VertexBuffer、IndexBuffer和VertexArrayObject

參見創(chuàng)建ShaderProgram對象的方式。要注意的是，這些類型的創(chuàng)建分2步。第一步是調用glGen*(int count, uint[] names);，此時只為其分配了name，沒有創(chuàng)建對象。第二步是首次調用glBind*(uint target, uint name);，此時才會真正創(chuàng)建對象。我猜這是早期的函數接口，所以用了這么啰嗦的方式。

對頂點屬性進行設置

一個頂點緩存對象(GLBuffer)實際上是一個字節(jié)數組(byte[])。它里面保存的，可能是頂點的位置屬性(vec3[])，可能是頂點的紋理坐標屬性(vec2[])，可能是頂點的密度屬性(float[])，可能是頂點的法線屬性(vec3[])，還可能是這些屬性的某種組合（如一個位置屬性+一個紋理坐標屬性這樣的輪流出現）。OpenGL函數glVertexAttribPointer(uint index, int size, uint type, bool normalized, int stride, IntPtr pointer)的作用就是描述頂點緩存對象保存的是什么，是如何保存的。

glClear(uint mask)

每次渲染場景前，都應清空畫布，即用glClear(uint mask);清空指定的緩存。

OpenGL函數glClearColor(float r, float g, float b, float a);用于指定將畫布清空為什么顏色。這是十分簡單的，只需設置Render Context中的一個字段即可。

需要清空顏色緩存(GL_COLOR_BUFFER_BIT)時，實際上是將當前Framebuffer對象上的顏色緩存設置為指定的顏色。需要清空深度緩存(GL_DEPTH_BUFFER_BIT)或模板緩存(GL_STENCIL_BUFFER_BIT)時，實際上也是將當前Framebuffer對象上的深度緩存或模板緩存設置為指定的值。

所以，為了實現glClear(uint mask)函數，必須將Framebuffer和各類緩存都準備好。

Framebuffer中的各種緩存都可以簡單的用一個Renderbuffer對象充當。一個Renderbuffer對象實際上也是一個字節(jié)數組(byte[])，只不過它還用額外的字段記錄了自己的數據格式（GL_RGBA等）等信息。紋理(Texture)對象里的各個Image也可以充當Framebuffer中的各種緩存。所以Image是和Renderbuffer類似的東西，或者說，它們支持同一個接口IAttachable。

1 interface IAttachable 2 { 3 uint Format { get; } // buffer’s format 4 int Width { get; } // buffer’s width. 5 int Height { get; } // buffer’s height. 6 byte[] DataStore { get; } // buffer data. 7 }

這里就涉及到對與byte[]這樣的數組與各種其他類型的數組（例如描述位置的vec3[]）相互賦值的問題。一般，可以用下面的方式解決：

1 byte[] bytes = ... 2 this.pin = GCHandle.Alloc(bytes, GCHandleType.Pinned); 3 IntPtr pointer = this.pin.AddrOfPinnedObject(); 4 var array = (vec3*)pointer.ToPointer(); 5 for (in i = 0; i< ...; i++) { 6 array[i] = ... 7 }

只要能將數組轉換為?void*?類型，就沒有什么做不到的了。

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glGetIntegerv(uint target, int[] values)

這個十分簡單。一個大大的switch語句。

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設置Viewport

設置viewport本身是十分簡單的，與設置lineWidth類似。但是，在一個Render Context對象被首次MakeCurrent()到一個線程時，要將Device Context的Width和Height賦值給viewport。這個有點麻煩。

更新uniform變量的值

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glDrawElements(..)

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總結

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總結

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