Transform Feedback的前世今生（一）

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Transform Feedback是Shader Model 4.0带来的一个新特性，与其他特性不同的是，它带来了OpenGL/OpenGL ES渲染管线的改变。Transform Feedback在DirectX中被称为Stream-Output Stage，有兴趣的读者可以去自己翻一下DirectX的文档。在本篇的博客中着重要讲的是Transform Feedback在Khronos组织是怎么一步步发展过来的，这些扩展(extensions)和OpenGL ES有什么联系，以及各家厂商对于Transform Feedback有什么自己的开发和见解。至于Transform Feedback和OpenGL有什么联系，这里就不描述了。

Transform Feedback和OpenGL ES渲染管线
让我们先来看一下最新的OpenGL ES3的渲染管线 （摘自OpenGL ES3.1官方spec），

很明显可以看到流水线为Transform Feedback新开了一条管道，它处于Vertex Shader管道之后，但是在光栅化管道之前。仔细想一下Vertex Shader要做的事情，不就是Transformation & Lighting嘛，所以很容易联想到Transform Feedback要操作的对象就是Vertex Shader变换后的顶点数据。这是Transform所要表达的意思，至于Feedback，在上面这张图中并没有画出来，事实上这个箭头应该重新指向Vertex Shader之前。就是说，Transform Feedback出来的顶点会存储在一个缓存里面，然后重新作为VBO进行Vertex Shader的绘制处理。

Transform Feedback能够很好地应用在在粒子系统中，在OpenGL ES中，每个粒子都可能是一个GL_Point，在GPU中就是一个顶点。如果没有Transform Feedback，在每一帧的绘制中，开发者可能需要为粒子准备不同的VBO，来描述粒子的变换，而VBO从客户端上传到服务器端需要消耗很大的时间。随着Transform feedback的到来，我们可以一次性的把顶点数据变换好然后输出到Transform Feedback缓存中，然后这个缓存就可以给后面的很多帧使用。这种2-pass的绘制解决方案能极大地提高应用程序的3D图形的效率。



下面用箭头来表示所有扩展之间的关系，首先Transform Feedback的始祖是NVidia公司，他们提出了和这两个扩展，以后所有的扩展都是基于这两个扩展开发出来的。
其中GL_EXT_transform_feedback已经被GL_ARB_transform_feedback2和GL_ARB_transform_feedback3完全覆盖了。
在接下来的博客文章中我会分析一下GL_ARB_transform_feedback2和GL_ARB_transform_feedback3以及所有基于这两者的扩展。有些读者可能会有疑惑，GL_ARB_transform_feedback2和GL_ARB_transform_feedback3不是已经被OpenGL全盘吸收了吗，为什么需要分开讲？主要的原因是由OpenGL ES和OpenGL的不同造成的。在下一篇中会详细描述OpenGL ES对于这个新特性的兼容。


GL_ARB_transform_feedback2
ARB_transform_feedback2这个扩展基本定义了Transform Feedback这个新特性的所有基本元素。我们可以用录音机的操作来形容所有Transform Feedback需要的操作。

• 开始 - glBeginTransformFeedback
• 结束 - glEndTransformFeedback
• 暂停 - glPauseTransformFeedback
• 继续 - glResumeTransformFeedback
• 播放录音 - glDrawTransformFeedback

另外其他的一些基本操作是和Transform Feedback也是作为一个面向对象的概念相关的，这个在OpenGL里面很常见，比如texture就是一个对象，

• 生成 - glGenTransformFeedback
• 绑定 - glBindTransformFeedback
• 删除 - glDeleteTransformFeedback
• 判断 - glIsTransformFeedback

而要把一个任意的buffer指定为Transform Feedback的buffer，我们还需要以下API，

• glBindBufferRange 或者
• glBindBufferBase

最后这个扩展还需要用到GL_EXT_transform_feedback的一个函数来指定哪些Vertex Shader Varying变量需要输出到Transform Feedback的buffer中去，这个函数在GL_ARB_transform_feedback3里面被转正了，拿掉了EXT的帽子。

• glTransformFeedbackVaryingsEXT
  

这一套API非常容易理解，如果有很多个drawcall出现在开发者的应用程序中，开发者可以很灵活地调用上述API来获得期望的Vertex Shader的输出，比如
glBeginTransformFeedbackdraw1glPauseTransformFeedbackdraw2glResumeTransformFeedbackdraw3glEndTransformFeedback
上面的例子的结果就是当前的Transform Feedback的buffer包括了draw1和draw3的指定的Vertex Shader的输出，而draw2就会被忽视掉。

值得注意的是，Transform Feedback接受的几何图元只包括

• GL_POINTS
• GL_LINES
• GL_TRIANGLES

以上就是Transform Feedback的基本知识，就是这么简单。


GL_ARB_transform_feedback3
ARB_transform_feedback3主要提供了以下新功能，

• glTransformFeedbackVaryingsEXT这个函数转正了，变为glTransformFeedbackVaryings
• GL_RASTERIZER_DISCARD_EXT也转正了，变为GL_RASTERIZER_DISCARD
• 扩充了Transform Feedback可以适用的范围，在Geometry Shader中同样也可以用了，为此加了一个新函数 - glDrawTransformFeedbackStream
• 扩充了GL query系列函数的功能，可以查询Transform Feedback相关的一些状态了

对于glTransformFeedbackVaryingsEXT这个函数的转正是必然的，其实这个函数非常的强大，它指定了要输出的varying变量可以用两种layout来存储

• GL_INTERLEAVED_ATTRIBS
• GL_SEPARATE_ATTRIBS

所谓的INTERLEAVED就是 (A, B, A, B,...)这种模式，而SEPARATE就是(A, A, ..., B, B, ...)这种模式。可以看到这个和VBO支持的layout是完全吻合的。这就可以给开发者带来很大的便利来优化他们的程序。

GL_RASTERIZER_DISCARD又是一个非常有意思的变量，如果这个变量被启用了，那么Transform Feedback就和上面的渲染管线描述地一模一样。如果这个变量被禁用了，那么Vertex Shader输出到Transform Feedback缓存后，还要继续进行光栅化的操作，从而绘制出来。这个更多的是对渲染管线的一种补充，提供了更多的功能和灵活性。从深的程度讲，这个和OpenGL一贯以来的海纳百川的精神是一致的，灵活性和可扩展性都很重要。

Transform Feedback用在Geometry Shader后面一点都不奇怪，因为Geometry Shader相当于扩展了Vertex Shader的一些功能，两者都是在光栅化之前做的。从原理上来讲Geometry Shader变换后的结果输出到Transform Feedback缓存中没什么好解释的，但是需要注意的是有一个限制，就是如果选择从Geometry Shader中输出的话几何图元类型只能是GL_POINTS。
对于新增加的query功能，下面用一个简单的例子来说明，
glBeginQuery(GL_PRIMITIVES_GENERATED0, 11);glBeginQuery(GL_PRIMITIVES_GENERATED1, 12);drawglEndQuery(GL_PRIMITIVES_GENERATED0);glEndQuery(GL_PRIMITIVES_GENERATED1);
这个例子是用来得到stream 11和stream 12产生的primitive个数。关于primitive和stream的概念，各位可以去查询下Geometry Shader的spec。