OpenGL学习笔记 （二）- 顶点与绘制指令

2022-01-14 17:11:30 浏览数 (1)

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  • 几何图元
  • 顶点
  • OpenGL缓冲
  • 顶点缓冲对象
  • 顶点数组对象
  • 数据布局
  • 绘制指令
  • 索引缓冲对象
  • 状态对象
  • Reference

前一篇文章（OpenGL学习笔记 （一）- 综述、渲染管线）提到过，现代OpenGL不再推荐使用显示列表或者更古老的glVertex了。这篇笔记将详细探讨这个话题，并介绍几何图形的绘制方式。

几何图元

OpenGL中有若干几何图元，但是最终这些图元都会被转化为点、线和三角形。通过组合三角形，OpenGL还额外提供了条带和扇面。

在OpenGL中，多边形区分正面与背面。默认情况下，两面的绘制方式相同。但是可以通过glPolygonMode来变更为点集、轮廓线和填充模式（默认）。

绘制多边形时，我们除了需要给出顶点坐标之外，还需要指定顶点之间的连接方式。OpenGL采用了数学中“正向”的概念，也就是说对于（凸）多边形的正面，从屏幕上观察，它的顶点是以逆时针排列的。

顶点

顶点（vertex）实际上就是坐标，是几何图元的组成部分。在OpenGL中，使用四个分量（齐次坐标）来描述一个位置。不过，一个顶点还可以同时具备其他的数据，比如顶点处的法向量、对应的纹理坐标等等。

OpenGL缓冲

现代OpenGL广泛应用缓冲。通过缓冲，我们可以把诸如顶点数据等等的数据放置在图形硬件的高速存储器（又叫显存）中，供后续绘制等操作使用。因此OpenGL中有若干不同类型的缓冲，缓冲管理也有一个通用的接口。使用glGenBuffers（新版本中还提供了glCreateBuffers）可以创建一个缓冲对象，之后必须glBindBuffer来绑定这个缓冲对象。

创建缓冲对象时，并不需要给出缓冲对象的大小。实际上，glGenBuffers的作用是返回缓冲对象名称。

绑定对象时，我们把一个缓冲对象绑定到一个确定的目标上。目标可以是GL_ARRAY_BUFFER代表的顶点数据类型等等（详表参考）。这里要注意，我们实际上不是给缓冲类型，而是把缓冲绑定在一个目标上。因此，glBindBuffer是一个状态函数，一个目标也只能绑定一个缓冲。

之后我们就需要使用glBufferData来真正的传输数据了。glBufferData的对象并不是缓冲对象名称，而是一个目标。比如对GL_ARRAY_BUFFER写入，那实际上当前绑定GL_ARRAY_BUFFER的缓冲对象才是真正的目标缓冲。这样写入缓冲的确有点不太直观，因此在新版OpenGL中提供了glNamedBufferStorage和相关函数来直接对缓冲对象名称写入数据，不过由于实在是太新了，因此这个函数的兼容性并不好。

顶点缓冲对象

顶点缓冲对象（Vertex Buffer Object，后略VBO）是用来存储顶点数据的缓冲对象。它的创建就如之前提到的：

  1. glGenBuffers：创建缓冲对象名称
  2. glBindBuffer：绑定缓冲，类型为GL_ARRAY_BUFFER
  3. glBufferData：传输数据

结合一段实际创建的代码可以更好的理解这个过程：

代码语言：javascript复制
// Create VBO, VAO
glGenBuffers(1, &VBO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

不难看出，VBO仅仅是将所有二进制顶点数据储存的缓冲对象。VBO之内的顶点数据实际上没有语义，只是以二进制的形式缓存，故VBO不可以直接进行绘制。

顶点数组对象

顶点数组对象（Vertex Array Object，VAO）就是存储顶点数据的数组，显然其中的数据已经有其组织形式了，所以VAO可以直接用于绘制指令。VAO的创建类似于VBO，可以通过glGenVertexArrays创建VAO，并通过glBindVertexArray进行绑定。

由于现代OpenGL的顶点数据都存在于缓冲对象中（曾经可以使用glVertexPointer函数），所以现在VAO已经不自带数据了，因此它需要绑定一个VBO。同时，我们需要给出解释VBO数据的方法，也就是顶点属性指针（vertex attribute pointer）。通过glVertexAttribPointer函数，我们可以向当前的VAO中添加顶点属性指针。glVertexAttribPointer定义顶点属性的方法是通过长度、步长和偏移。比如对于若干个紧密排列的三维空间的坐标（格式：x1 y1 z1 x2 y2 z2 …，参考下图），显然他们的长度是3，步长是3个数据的长度，偏移是0。

顶点属性指针例（图源Reference）

需要注意的是，glVertexAttribPointer的第一个参数接受一个index。由于一个顶点可以有若干属性，比如位置、纹理坐标等等，因此这个index就是用来区别不同顶点属性的。最后通过glEnableVertexAttribArray就可以启用这个配置了。VAO、VBO和顶点属性指针的关系可以参考下图。

VAO、VBO与顶点属性指针（图源Reference）

可以看到，真正绑定VBO的并不是VAO，而是相应的顶点属性指针。而VAO可以绑定多个顶点属性指针（只要index不同），一个VAO事实上可以同时“绑定”多个VBO。这个连接建立的时机是glVertexAttribPointer函数的调用。另外，由于VAO和VBO没有直接的关系，因此VAO、VBO绑定的先后顺序并不重要，只要都先于glVertexAttribPointer即可。

数据布局

了解了VAO、VBO与顶点属性指针的内容之后，就可以处理不同样式的数据布局了。我们假设现在有三种顶点属性：位置（3分量，用P表示）、颜色（3分量，用C表示）、纹理坐标（2分量，用T表示）。

最暴力的一种方式就是把三个数据分开存放在三个VBO中，大致可以表示为：

P P P … … C C C … … T T T …

虽然很直观，不过这样存储的话代码量较大（因为有三个数组），而且由于数据的分次传递，其效率也不太高。因此，我们可以将这些数据相邻放置，并存储在一个VBO里。

P P P … C C C … T T T …

为了进一步提高效率，我们还可以对数据块进行对齐（在三个块之前）。不过这样带来的问题是，在制定顶点属性指针时我们就需要预先知道数据的长度以计算偏移。这会使我们的代码丧失一定的灵活性。因此，我们还可以将数据交叉存储。

P C T   P C T   P C T …

交叉存储下，一个顶点的各个属性数据都是连贯的。因此我们就不需要知道数据长度来计算偏移了，我们可以通过下图来了解这个结构。

交叉存储的顶点数据（图源Reference）

不过交叉存储也是有缺点的。在对齐的时候，交叉存储会消耗更多空间。此外，交叉存储是否能提升效率还有待数据验证。

绘制指令

OpenGL中以glDraw开头的就是绘制指令。虽然glDraw开头的函数众多，不过它们大致可以分为以glDrawArrays和glDrawElements为首的两族。所有绘制指令的对象都是VAO，因此在绘制前程序需要绑定一个正确的VAO。同时，绘制时需要传入一个模式以确定如何组装顶点为图元，可被接受的就是“几何图元”节中提到的。

glDrawArrays一族直接对缓冲内的数据进行绘制。因为直接使用缓冲内的数据，因此只需要给出首个顶点偏移与所用顶点数即可。一个使用glDrawArrays进行绘制的完整例子如下。

代码语言：javascript复制
// 准备数据
glGenBuffers(1, &VBO);
glGenVertexArrays(1, &VAO);

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

glBindVertexArray(VAO);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

// 绘制时
glBindVertexArray(VAO);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3); // 绘制一个三角形

glDrawElements一族是索引形式的绘制指令，其通过索引访问缓冲内数据进行绘制。因此我们还需要传入索引的数据类型（如无符号整数GL_UNSIGNED_INT）。另外，在使用glDrawElements之前，还需要给VAO绑定一个索引，在下一节中将会进行详细说明。

使用索引进行绘制的意义在于减少重复数据。在绘制中，经常会遇到两个顶点相同的情况（比如正方体的顶点），使用索引可以减少重复数据点，节省存储空间。

索引缓冲对象

索引缓冲对象（Element Buffer Object，后略EBO；或Index Buffer Object，IBO）就是存放绘制需要的索引所需要的。由于EBO本质上还是一个缓冲对象，因此它的创建和VBO几乎完全相同：

  1. glGenBuffers：创建缓冲对象名称
  2. glBindBuffer：绑定缓冲，类型为GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
  3. glBufferData：传输数据

唯一不同的是，EBO的格式固定，每一位就代表了一个索引，因此不需要给出数据格式。EBO可以理解为阅读VAO顶点数据的顺序，因此需要绑定给VAO，绑定的过程是在glBindBuffer发生的。一个使用了EBO的绘制示例如下。

代码语言：javascript复制
// 准备数据
glGenBuffers(1, &VBO);
glGenVertexArrays(1, &VAO);
glGenBuffers(1, &EBO);

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

glBindVertexArray(VAO);

glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

// 绘制时
glBindVertexArray(VAO);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0); // 绘制两个三角形

状态对象

状态对象实际上是我硬造的词，用来描述OpenGL中一些仅存储状态的对象。VAO就是状态对象。通常来讲，VAO存储了：

  1. 顶点属性指针的调用参数，可以看成VBO的引用 读取格式
  2. glEnableVertexAttribArray和glDisableVertexAttribArray的调用，也就是顶点属性指针的启用与否
  3. 当前GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER目标的缓冲对象，也就是EBO的引用

VAO关系图示（图源Reference）

了解了VAO的细节之后，应该能更好的对数据进行管理，并充分复用现有的数据了。

Reference

  1. OpenGL编程指南（原书第9版）
  2. OpenGL Vertex Buffer Object（http://www.songho.ca/opengl/gl_vbo.html）
  3. LearnOpenGL CN（https://learnopengl-cn.github.io/01 Getting started/04 Hello Triangle/）
  4. VAO & binding multiple VBOS（https://community.khronos.org/t/vao-binding-multiple-vbos/77291）
  5. Vertex Specification – OpenGL Wiki（https://www.khronos.org/opengl/wiki/Vertex_Specification#Vertex_Array_Object）
opengl api

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