基于离屏渲染技术确定raycasting算法中的投射光线参数

raycasting算法在众多体绘制算法中以采样精度高，绘制图像细腻著称，但计算量的缺点阻碍了它的广泛应用。

GPU的raycasting算法被提出后，达到了实时交互的绘制速度。近年来，该技术逐渐成熟，可分为两类：单通路和多通路。多通路最早被提出，由于GPU的可编程性能较差，需绘制体数据包围盒多次来计算光线参数，而随着GPU的可编程性能提高，单通路算法被提出，只需绘制一次体数据包围盒就可获得投射光线参数，但顶点着色程序较为复杂。最近利用离屏渲染获取投射光线参数的方法被提出，该方法绘制包围盒两次来获取投射光线参数，避免的复杂的顶点着色程序。下面对该算法进行详细的叙述。

主要由以下几个部分组成：

(1). 3D纹理的生成。保存原始3D体数据场为3D纹理。

(2). 投射光线起始点、终点的确定。利用Framebuffer object执行离线渲染来确定投射光线参数。Framebuffer object于2005年提出，主要用于离屏渲染，它在显存中定义一块存储区域作为帧缓存使用，和真正的帧缓存一样，同样包括颜色缓存、深度缓存和模板缓存等，不同的是将绘制的结果保存在与Framebuffer object绑定的纹理对象中，而不是直接显示在屏幕上。确定投射光线起点、终点等参数的步骤如下：

step 1. 定义一个Framebuffer object和两个2D纹理对象，2D纹理对象分别被命名为前表面纹理和后表面纹理，将分别保存光线的起始点和终点坐标。

  glGenFramebuffersEXT(1, &framebuffer);
 	glBindFramebufferEXT(GL_FRAMEBUFFER_EXT,framebuffer);
	glGenTextures(1, &backface_buffer);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, backface_buffer);
	glTexEnvi(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_REPLACE);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_BORDER);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_BORDER);
	glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0,GL_RGBA16F_ARB, WINDOW_SIZE, WINDOW_SIZE, 0, GL_RGBA, GL_FLOAT, NULL);
	glGenTextures(1, &final_image);
	glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, final_image);
	glTexEnvi(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_REPLACE);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_BORDER);
	glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_BORDER);
	glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0,GL_RGBA16F_ARB, WINDOW_SIZE, WINDOW_SIZE, 0, GL_RGBA, GL_FLOAT, NULL);

step 2. 绑定Framebuffer object和后表面纹理，并启用Framebuffer object。根据体数据的大小生成一个包围盒，在Framebuffer object中绘制包围盒的表面，并剔除包围盒的前表面，此时，在Framebuffer object中的绘制结果为体数据包围盒的后表面，保存在后表面纹理中。绘制时，令每个面四个顶点的颜色值(r, g, b)与顶点的坐标值(x, y, z)相等，则在光栅化阶段通过图形流水线的三线性插值，包围盒表面上每一点的颜色和它的空间坐标都相等，那么后表面纹理中保存的绘制结果是包围盒后表面的坐标信息，也就是投射光线的终点。

step 3. 绑定Framebuffer对象和前表面纹理，在Framebuffer对象中绘制包围盒的表面，把每个面的顶点坐标(x, y, z) 作为顶点的颜色(r, g, b)，并剔除包围盒的后表面，通过绘制，前表面纹理中保存的绘制结果是包围盒前表面的坐标信息，也就是投射光线的起始点。光线方向在光线积分时可通过光线起始点和终点来计算。如下图。

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