帧缓冲

需要预先学习：

• 缓冲对象与顶点
• 深度缓冲

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1. 帧缓冲（Framebuffer）

着色与渲染管线 的片元处理结束时，通过所有测试的片元会被写入帧缓冲（framebuffer）——渲染管线的最终目的地。默认情况下这个目的地是屏幕：窗口系统在创建窗口时自动配置好一块帧缓冲，渲染结果直接显示。帧缓冲对象（FBO，Framebuffer Object）允许你把渲染目标从屏幕换成自定义的纹理或缓冲，这是后处理、阴影贴图、环境光预计算等一切"渲染到纹理"技术的基础。这篇笔记介绍 FBO 的三种附件（颜色、深度、模板），并重点讲清片元何时写入附件。

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2. 默认帧缓冲

深度缓冲 中讲过，帧缓冲不是一个单独的缓冲，而是多块逐像素并列的存储的集合：

缓冲	存储内容	每个像素存什么
颜色缓冲（color buffer）	片元最终颜色	一个 RGBA 颜色值
深度缓冲（depth buffer）	当前最近的深度	一个深度值
模板缓冲（stencil buffer）	模板测试用的标记	一个整数

默认帧缓冲由窗口系统（Win32、X11 等）创建，尺寸与窗口客户区一致。片元处理时：

1. 深度测试：与深度缓冲比较，不通过则丢弃片元（见 深度缓冲）；
2. 模板测试：与模板缓冲比较，不通过则丢弃（见 着色与渲染管线）；
3. 混合：与颜色缓冲中已有的颜色混合；
4. 全部通过后，颜色写入颜色缓冲、深度写入深度缓冲。

默认帧缓冲还使用双缓冲（double buffering）：渲染写入后台缓冲，显示读取前台缓冲，一帧画完调用 glfwSwapBuffers 之类的函数交换二者，避免画面撕裂（tearing，见 着色与渲染管线）。

注：深度测试与模板测试默认是关闭的，需要 glEnable(GL_DEPTH_TEST)、glEnable(GL_STENCIL_TEST) 显式开启；颜色写入默认开启。

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3. 帧缓冲对象（FBO）

窗口绑定到默认帧缓冲，但很多效果需要先画到别处再处理。帧缓冲对象（FBO）就是自定义的渲染目标：把颜色、深度、模板缓冲换成你自己创建的纹理或缓冲，之后所有绘制命令都写到那里，而不是屏幕。

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3.1 为什么需要离屏渲染

离屏渲染（offscreen rendering）指把场景渲染到 FBO 而不是屏幕。典型用途：

用途	做法	例子
后处理	场景先渲染到颜色纹理，再把它当普通纹理画满屏幕	反色、模糊、色调映射、FXAA（见 光栅化）
阴影贴图	深度附件挂纹理，从光源渲染后采样比较	ShadowMap与PCF、PCSS、CSM级联阴影
环境光预计算	把积分结果渲染进纹理，运行时直接采样	PBR 的 IBL
多 pass 渲染	第一遍产出中间结果，后续 pass 消费	延迟着色、描边、泛光

共同点：渲染结果不再是像素，而是数据——纹理可以被采样、被保存、被下一遍绘制使用。

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3.2 FBO 是附件的集合

FBO 本身不存储任何数据，它只是附件（attachment）的挂载点。附件是实际存放数据的对象，通过 glFramebuffer* 系列函数挂到 FBO 上：

附件类型	枚举值	数据来源	参与哪个阶段
颜色附件	GL_COLOR_ATTACHMENT0 ~ GL_COLOR_ATTACHMENT15	纹理或 RBO	片元着色器颜色输出
深度附件	GL_DEPTH_ATTACHMENT	纹理或 RBO	深度测试
模板附件	GL_STENCIL_ATTACHMENT	纹理或 RBO	模板测试
深度+模板	GL_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT	纹理或 RBO（GL_DEPTH24_STENCIL8 格式）	深度与模板测试

颜色附件可以有多个（多重渲染目标，MRT），深度、模板附件各一个。每个附件都是一个纹理（texture）或渲染缓冲对象（RBO，renderbuffer object，见后文）——纹理可以被后续 pass 采样，RBO 不能。

注：FBO 是 OpenGL 对象（object），遵循 缓冲对象与顶点 中讲过的通用模式：glGenFramebuffers 创建、glBindFramebuffer 绑定、用完 glDeleteFramebuffers 删除。绑定目标 GL_FRAMEBUFFER 同时作用于读写，也可分别用 GL_DRAW_FRAMEBUFFER、GL_READ_FRAMEBUFFER 指定。

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3.3 创建 FBO

创建 FBO 分四步：生成对象、挂附件、检查完整性、解绑。

// 1. 生成并绑定 FBO
GLuint fbo;
glGenFramebuffers(1, &fbo);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo);

// 2a. 颜色附件：一张纹理（渲染后供后处理采样）
GLuint texColor;
glGenTextures(1, &texColor);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texColor);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGB, W, H, 0,     // W、H 与窗口同尺寸
             GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, nullptr);    // 不填数据，只分配存储
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glFramebufferTexture2D(GL_FRAMEBUFFER, GL_COLOR_ATTACHMENT0,
                       GL_TEXTURE_2D, texColor, 0);

// 2b. 深度+模板附件：用 RBO（只需要参与测试，不需要采样）
GLuint rbo;
glGenRenderbuffers(1, &rbo);
glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, rbo);
glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH24_STENCIL8, W, H);
glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT,
                          GL_RENDERBUFFER, rbo);

// 3. 完整性检查：附件缺失或组合不合法时渲染会静默失败
if (glCheckFramebufferStatus(GL_FRAMEBUFFER) != GL_FRAMEBUFFER_COMPLETE)
{
    // 配置有误：例如颜色附件与深度附件尺寸不一致
}

// 4. 解绑回默认帧缓冲
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

注意：完整性检查不能省。FBO 配置错误时 OpenGL 不会报错，而是所有绘制命令被静默忽略——画面什么都不出，最难排查。常见的 GL_FRAMEBUFFER_INCOMPLETE_ATTACHMENT（附件存储未分配）与 GL_FRAMEBUFFER_INCOMPLETE_MISSING_ATTACHMENT（没有挂任何附件）都可以靠它抓出来。

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4. 附件的写入时机

FBO 不会改变片元处理的流程，只改变片元写入的目的地。但"什么时候写、写到哪里"有几个容易踩坑的点，这一节专门讲清。

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4.1 渲染目标的切换

绑定 FBO 之后，所有绘制命令（包括 glClear）都作用于该 FBO 的附件：

// 渲染到 FBO
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo);
glViewport(0, 0, W, H);                    // 视口要匹配附件尺寸
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
drawScene();                               // 写入 fbo 的附件

// 切回默认帧缓冲（屏幕）
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
glViewport(0, 0, windowW, windowH);        // 视口也要切回来
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
drawPostProcess();                         // 写入屏幕

注意：视口不会随帧缓冲自动切换。glViewport 只受显式调用影响，FBO 附件尺寸与窗口尺寸不一致时，忘记调 glViewport 会导致渲染范围错位——画面只画出一部分，或贴图坐标越界。

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4.2 片元写入附件的时机

片元写入附件发生在片元处理阶段的末尾，与渲染目标是默认帧缓冲还是 FBO 无关（见 着色与渲染管线）：

片元着色器输出颜色
  ↓
剪裁测试（scissor test）    矩形裁剪区域外的片元被丢弃
  ↓
模板测试（stencil test）   失败 -> 丢弃，颜色与深度都不写
  ↓
深度测试（depth test）     失败 -> 丢弃，颜色与深度都不写
  ↓
混合（blending）           与颜色附件中已有的颜色混合
  ↓
写入附件                  颜色写颜色附件，深度写深度附件

三个关键结论：

1. 测试失败 = 什么都不写。深度测试失败的片元不会更新颜色附件，也不会更新深度附件——深度缓冲里"更近"的记录被保留，这正是深度测试能工作的原因（见 深度缓冲）；
2. 深度测试通过时，颜色与深度同步写入。一个片元通过深度测试，颜色与深度在同一次更新中写入各自附件；
3. 颜色与深度可以分开控制。glDepthMask(GL_FALSE) 关闭深度写入（只测试不写），glColorMask(GL_FALSE, ...) 关闭颜色写入——例如只想用深度测试剔除物体、不画颜色时（ShadowMap 的 Pass 1 就是典型的"只写深度"）。

// 伪代码：一次深度测试通过的片元更新了什么
// 深度测试通过
frame_buffer.depth[x][y] = fragment.depth;      // 深度附件（若 glDepthMask 开启）
frame_buffer.color[x][y]  = blended_color;       // 颜色附件（若 glColorMask 开启）

注：混合发生在写入之前，所以混合读到的是颜色附件中已有的旧值；深度不参与混合。半透明物体需要先画不透明物体再画自身，原因就在这里（见 着色与渲染管线）。

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4.3 多颜色附件与 glDrawBuffers

FBO 可以挂多个颜色附件（MRT，Multiple Render Targets），片元着色器的多个输出各写一个附件：

#version 330 core

layout (location = 0) out vec4 gColor;      // 写 GL_COLOR_ATTACHMENT0
layout (location = 1) out vec4 gNormal;     // 写 GL_COLOR_ATTACHMENT1

C++ 侧用 glDrawBuffers 声明哪些附件被写入：

GLuint attachments[2] = { GL_COLOR_ATTACHMENT0, GL_COLOR_ATTACHMENT1 };
glDrawBuffers(2, attachments);

注意：默认情况下 FBO 只写 GL_COLOR_ATTACHMENT0。挂上了第二个颜色附件但没调 glDrawBuffers，第二个附件永远是空的——这是 MRT 最常见的"为什么没数据"原因。glDrawBuffers(GL_NONE) 表示不写任何颜色附件，只跑深度测试（ShadowMap 的 Pass 1 正是这样配的，见 ShadowMap与PCF、PCSS）。

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4.4 附件的读取

纹理附件在渲染完成后就是一张普通纹理，可以直接绑定给下一遍绘制采样：

// 后处理 pass：把上一遍渲染的颜色纹理当输入
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texColor);
glUniform1i(glGetUniformLocation(postShader, "screenTexture"), 0);

glReadPixels 则把附件内容读回 CPU 内存（glReadBuffer 可先选择读哪个颜色附件）——用于截图、拾取等低频操作。注意纹理附件不能边渲染边采样：把正在写入的纹理绑定到同一遍绘制的采样器上，行为未定义（OpenGL 4.5 之前的限制），需要采样时先解绑 FBO。

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5. 渲染缓冲对象（RBO）

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5.1 为什么需要 RBO

渲染缓冲对象（renderbuffer，RBO）是另一种附件载体，与纹理的关键区别：RBO 不能被采样，只能作为渲染目标。既然不能采样，为什么还要它？

• RBO 的数据布局针对"作为渲染目标"做了优化，读写效率更高，开销更小；
• 深度、模板缓冲在渲染中只参与测试，从不被采样（阴影贴图要采样深度比较，那是特例，用纹理）；
• 不需要为用不到的功能付代价：纹理的过滤、环绕、mipmap 等参数对 RBO 毫无意义。

维度	纹理附件	RBO 附件
能否采样	能（后处理、阴影贴图）	不能
性能	一般	针对渲染目标优化，更快
存储格式	纹理格式（GL_RGB 等）	渲染格式（GL_DEPTH24_STENCIL8 等）
适用场景	需要把渲染结果当数据用的附件	只参与测试的深度、模板附件

注：深度附件到底用纹理还是 RBO，取决于后续要不要采样它的值——ShadowMap与PCF、PCSS 的深度贴图用纹理（Pass 2 要采样比较），本篇示例的深度附件用 RBO（只需要测试）。同一张 FBO 里两者可以混用。

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5.2 创建 RBO

GLuint rbo;
glGenRenderbuffers(1, &rbo);
glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, rbo);
glRenderbufferStorage(GL_RENDERBUFFER, GL_DEPTH24_STENCIL8, W, H);
glBindRenderbuffer(GL_RENDERBUFFER, 0);     // 解绑

// 挂到 FBO 的深度+模板附件上
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo);
glFramebufferRenderbuffer(GL_FRAMEBUFFER, GL_DEPTH_STENCIL_ATTACHMENT,
                          GL_RENDERBUFFER, rbo);
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

GL_DEPTH24_STENCIL8 是常用的组合格式：24 位深度 + 8 位模板，一张缓冲同时支撑两个测试。若只要深度，用 GL_DEPTH_COMPONENT24 即可。

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6. 完整示例：渲染到纹理与后处理

把上面的内容串起来：第一遍把场景渲染到 FBO 的颜色纹理，第二遍用全屏四边形做后处理（这里用反色演示），把结果画到屏幕。

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6.1 Pass 1：场景渲染到 FBO

// 初始化：创建 FBO（代码见"创建 FBO"一节，texColor + rbo + fbo）
// 渲染循环
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo);
glViewport(0, 0, W, H);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
drawScene();                               // 普通场景绘制，写入附件
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

场景绘制与平时完全相同——深度测试、混合照常工作，只是目的地变成了附件。

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6.2 Pass 2：全屏后处理

后处理 pass 不需要任何模型变换，画一个覆盖全屏的四边形（顶点直接用 NDC 坐标，不再经过 model/view/projection 变换）：

// 后处理顶点着色器：NDC 顶点直达裁剪空间
#version 330 core

layout (location = 0) in vec2 aPos;        // NDC 坐标，范围 [-1, 1]
layout (location = 1) in vec2 aUV;         // 纹理坐标，范围 [0, 1]

out vec2 UV;

void main()
{
    UV = aUV;
    gl_Position = vec4(aPos, 0.0, 1.0);    // 不再乘 model/view/projection
}

// 后处理片段着色器：反色
#version 330 core

in vec2 UV;

uniform sampler2D screenTexture;           // Pass 1 渲染出的颜色纹理

out vec4 FragColor;

void main()
{
    vec3 color = texture(screenTexture, UV).rgb;
    FragColor = vec4(1.0 - color, 1.0);    // 反色：1 - 原色
}

C++ 侧：绑定后处理着色器，画一个全屏四边形（两个三角形），把 texColor 绑定给 screenTexture。灰度、模糊、色调映射都是同一框架——只改片段着色器里的几行。

glUseProgram(postShader);
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texColor);    // Pass 1 的产物
glUniform1i(glGetUniformLocation(postShader, "screenTexture"), 0);
drawFullscreenQuad();                      // 覆盖全屏的四边形

注：后处理 pass 的四边形要关掉深度测试（glDisable(GL_DEPTH_TEST)）——它永远在最上层，不需要也不应该参与深度比较。

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7. 应用回顾

帧缓冲贯穿了本系列的多篇笔记，每篇都只用了 FBO 的一个侧面：

笔记	用到的附件	用途
ShadowMap与PCF、PCSS	深度附件挂纹理（GL_DEPTH_ATTACHMENT）	阴影贴图，Pass 2 采样比较
CSM级联阴影	深度附件挂纹理数组的每一层（glFramebufferTextureLayer）	多级联深度贴图
PBR	颜色附件挂纹理（IBL 预计算）	环境贴图预滤波、BRDF 查找表
本篇	颜色附件 + 深度 RBO 附件	渲染到纹理与后处理

共同的模式：把渲染结果当作数据存进附件，再被下一遍绘制消费。理解 FBO 的附件机制与写入时机，这些技术的代码就只剩"换附件"的区别了。

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