《OpenGL ES 3.x 游戏开发》顶点缓冲区 VBO 的使用

学习笔记内容摘录

《OpenGL ES 3.x 游戏开发》顶点缓冲区 VBO 的使用

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Tue Jul 17, 2018

2800 Words|Read in about 6 Min
Tags: OpenGL  

在之前的绘制过程中,首先都需要将物体的顶点数据保存在内存中,然后 glDrawArraysglDrawElements 绘制前,将顶点数据送入到显存中,这样会存在 I/O 开销较大的问题,性能也不够好。

可以将顶点数据存放在顶点缓冲区中,就不需要在每次绘制前把顶点数据复制进显存,而是在初始化顶点缓冲区对象时一次性将顶点数据送入显存,每次绘制时直接使用显存中的数据,可以大大提高渲染性能。

顶点缓冲区

在 OpenGL ES 中支持两种类型的顶点缓冲区对象,分别是数组缓冲区对象(Array Buffer)和 元素数组缓冲区对象(Element Array Buffer)。

  • 数组缓冲区对象对应的类型为 GL_ARRAY_BUFFER,一般用于存放待绘制物体的顶点相关数据,如顶点坐标、纹理坐标、法向量等。
  • 元素数组缓冲区对象对应的类型为 GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER ,一般用于存放图元的组装索引数据,在使用索引法进行绘制时使用。

使用顶点缓冲区的好处就在于顶点数量非常多的时候,可以一次性将大量顶点数据送入到显存中。

关于顶点缓冲区,又有另一种说法,叫做 VBO,其实就是 Vertex Buffer Object的缩写啦。

缓冲区对象的常用操作方法

下面介绍一下关于顶点缓冲区的常用方法。

创建缓冲区对象 – glGenBuffers

glGenBuffers 方法用于创建缓冲对象,是在使用每个自定义缓冲前都需要调用的。

	// 方法一
    public static native void glGenBuffers(
        int n,
        java.nio.IntBuffer buffers
    );
    // 方法二
    public static native void glGenBuffers(
        int n,
        int[] buffers,
        int offset
    );
  1. 在方法一中,参数 n 为需要创建的缓冲区数量,参数 buffers 为用于存放创建的 n 个缓冲区编号的 IntBuffer 。
  2. 在方法二中,参数 n 为需要创建的缓冲区数量,参数 buffers 为用于存放创建的 n 个缓冲区编号的数组,参数 offset 为 buffers 数组所需的偏移量。

绑定缓冲区对象 – glBindBuffer

glBindBuffer 方法用于绑定当前缓冲区对象,第一次调用 glBindBuffer 方法绑定缓冲区对象时,缓冲区对象以默认状态分配;如果分配成功,则分配的对象绑定为当前缓冲区对象。

    public static native void glBindBuffer(
        int target,
        int buffer
    );

其中,参数 target 用于描述需绑定的缓冲区类型,参数 buffer 为需要绑定的缓冲区编号。

target 值如下:

target 值 缓冲区类型
GL_ARRAY_BUFFER 数组缓冲
GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER 元素数组缓冲
GL_COPY_READ_BUFFER 复制只读缓冲
GL_COPY_WRITE_BUFFER 复制可写缓冲
GL_PIXEL_PACK_BUFFER 像素打包缓冲
GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER 像素解包缓冲
GL_TRANSFORM_FEEDBACK_BUFFER 变换反馈缓冲
GL_UNIFORM_BUFFER 一致变量缓冲

向缓冲区送入数据 – glBufferData 和 glBufferSubData

glBufferData 方法一般用于向指定缓冲中送入数据,也可以用于对指定缓冲进行相关存储空间初始化。

  public static native void glBufferData(
        int target,
        int size,
        java.nio.Buffer data,
        int usage
    );

其中,target 用于描述指定的缓冲区类型,如上表所示;参数 size 用于给出缓冲区的大小(单位为字节),参数 data 为需要送入缓冲的数据,若没有数据要送入缓冲区,其值可以为 null;参数 usage 用于指定缓冲区的用途,可取的值如下表:

缓冲区用途可选参数值 参数说明
GL_STATIC_DRAW 在绘制时,缓冲区对象数据可以被修改一次,使用多次
GL_STATIC_READ 在 OpenGL ES 中读回的数据,缓冲区对象数据可以被修改一次,使用多次,且该数据可以冲应用程序中查询
GL_STATIC_COPY 从 OpenGL ES 中读回的数据,缓冲区对象数据可以被修改一次,使用多次,该数据将直接作为绘制图元或者指定图像的信息来源
GL_DYNAMIC_DRAW 在绘制时,缓冲区对象数据可以被重复修改、使用多次
GL_DYNAMIC_READ 从 OpenGL ES 中读回的数据,缓冲区对象数据可以被重复修改、使用多次,且该数据可以从应用程序中查询
GL_DYNAMIC_COPY 从 OpenGL ES 中读回的数据,缓冲区对象数据可以被重复修改、使用多次,该数据将直接作为绘制图元或者指定图像的信息来源
GL_STREAM_DRAW 在绘制时,缓冲区对象数据可以被修改一次,使用少数几次
GL_STREAM_READ 从 OpenGL ES 中读回的数据,缓冲区对象数据可以被修改一次,使用少数几次,且该数据可以从应用程序中查询
GL_STREAM_COPY 从 OpenGL ES 中读回的数据,缓冲区对象数据可以被修改一次,使用少数几次,且该数据将直接作为绘制图元或者指定图像的信息来源

glBufferSubData 方法一般用于向指定缓冲中送入部分数据进行初始化或者更新,方法如下:

    public static native void glBufferSubData(
        int target,
        int offset,
        int size,
        java.nio.Buffer data
    );

其实,参数 target 还是用于描述指定的缓冲区类型,参数 offset 用于给出缓冲区被修改的数据的起始内存偏移量,参数 size 用于给出缓冲区中数据被修改的字节数,参数 data 为需要送入缓冲的数据。

通过 glBufferSubData 方法,可以做到更改指定范围内的缓冲区数据。

删除缓冲区对象 – glDeleteBuffers

glDeteleBuffers 方法用于删除指定的缓冲区对象,其方法签名如下:

	// 方法一
    public static native void glDeleteBuffers(
        int n,
        java.nio.IntBuffer buffers
    );
    // 方法二
    public static native void glDeleteBuffers(
        int n,
        int[] buffers,
        int offset
    );

其中,第一个方法有两个参数,参数 n 为将要被删除的缓冲区对象数量,参数 buffers 为存储了 n 个要删除的缓冲区编号的 IntBuffer 。

第二个方法有三个参数,参数 n 为将要被删除的缓冲区对象数量,参数 buffers 为存储了 n 个要删除缓冲区编号的数组,参数 offset 为数组所需的偏移量。

缓冲区查询 – glGetBufferParameteriv

可以通过 glGetBufferParameteriv 方法查询指定缓冲区的信息,其方法签名如下:

    public static native void glGetBufferParameteriv(
        int target,
        int pname,
        int[] params,
        int offset
    );

其中,参数 target 用于描述指定的缓冲区类型,参数 pname 为要查询的信息项目,具体项目见下表,参数 params 用于存放查询结果,offset 代表查询偏移量。

缓冲区查询信息 说明
GL_BUFFER_SIZE 缓冲区以字节计的大小
GL_BUFFER_USAGE 缓冲区用途
GL_BUFFER_MAPPED 是否为映射缓冲区
GL_BUFFER_ACCESS_FLAGS 缓冲区访问标志
GL_BUFFER_MAP_LENGTH 缓冲区映射长度
GL_BUFFER_MAP_OFFSET 缓冲区映射偏移量

实践

前面说了那么理论,那么针对数组缓冲区 Array Buffer 和元素数组缓冲区 Element Array Buffer 分别进行实践,实现的效果都是绘制一个带纹理的矩形。

如下:

顶点缓冲区的使用

数组缓冲区使用

对于 Array Buffer 数组缓冲区,它可以存放顶点相关数据,比如顶点坐标、纹理坐标、法向量等,最后采用 glDrawArrays 方法来绘制,

首先,定义好顶点坐标:

        float vertices[] =
                {
                        -width / 2, height / 2, 0,
                        -width / 2, -height / 2, 0,
                        width / 2, height / 2, 0,

                        -width / 2, -height / 2, 0,
                        width / 2, -height / 2, 0,
                        width / 2, height / 2, 0
                };

然后定义好纹理坐标:

        float textures[] =
                {
                        0f, 0f, 0f, 1f, 1f, 0f,
                        0f, 1f, 1f, 1f, 1f, 0f,
                };

接下来就是创建顶点坐标和纹理坐标的缓存数据,通过 ByteBuffer 进行转换得到 FloatBuffer

完成准备工作接下来就是创建对应的顶点缓冲区了。

		// 指定缓存数量并生成
        int[] bufferIds = new int[3];
        GLES20.glGenBuffers(3, bufferIds, 0);

        // 创建顶点坐标缓冲,绑定并传递数据
        mVertexBufferId = bufferIds[0];
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, mVertexBufferId);
        GLES20.glBufferData(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, vertices.length * 4, mVertexBuffer, GLES20.GL_STATIC_DRAW);
        // 解除绑定
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, 0);

        // 创建纹理坐标缓冲,绑定并传递数据
        mTextureBufferId = bufferIds[1];
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, mTextureBufferId);
        GLES20.glBufferData(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, textures.length * 4, mTextureBuffer, GLES20.GL_STATIC_DRAW);
        // 解除绑定
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, 0);

接下来就是绘制的过程:

		// 绑定到顶点坐标数据缓冲
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, mVertexBufferId);
        // 启用顶点坐标数据数组
        GLES20.glEnableVertexAttribArray(maPositionHandle);
        // 指定顶点位置数据使用对应缓冲
        GLES20.glVertexAttribPointer(maPositionHandle, 3, GLES20.GL_FLOAT, false, 3 * 4, 0);
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, 0);
		
		// 绑定到纹理坐标数据缓冲
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, mTextureBufferId);
        // 启用纹理坐标数据数组
        GLES20.glEnableVertexAttribArray(maTexCoorHandle);
        // 指定纹理位置数据使用对应缓冲
        GLES20.glVertexAttribPointer(maTexCoorHandle, 2, GLES20.GL_FLOAT, false, 2 * 4, 0);
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, 0);
		// 执行绘制
	    GLES20.glDrawArrays(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, vCount);

在绘制时会使用到 glVertexAttribPointer 函数,这里有个细节差别,它和之前使用时参数不一样了。

元素数组缓冲区使用

使用 元素数组缓冲区 Element Array Buffer 就得采用 glDrawElement 的方式进行绘制,先要更改顶点坐标数据和纹理坐标数据,然后定义顶点索引数组,然后为索引数组生成对应的 元素数组缓冲区。

		// 索引数组
        byte[] indices = {
                1, 2, 3,
                0, 1, 2,
        };

为索引数组生成对应的 元素数组缓冲区。

     // 索引缓冲
        mIndicesBufferId = bufferIds[2];
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, mIndicesBufferId);
        GLES20.glBufferData(GLES20.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indices.length, mIndicesBuffer, GLES20.GL_STATIC_DRAW);
        GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);

另外在绘制时,也要绑定元素数组缓冲区后进行绘制:

 GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, mIndicesBufferId);
 GLES20.glDrawElements(GLES20.GL_TRIANGLES, vCount, GLES20.GL_UNSIGNED_BYTE, 0);

小结

对于博客的例子,一个纹理矩形只有四个顶点,体现不出顶点数组缓存的优势,多余大量点的情况下,这种优势还是挺明显的,尤其是存在要更改顶点数据的情况下,直接使用 glBufferSubData 方法去更改,而不是在重新传入新的顶点坐标数据。

关于具体的代码实现,可以参考我的 Github 项目:

https://github.com/glumes/AndroidOpenGLTutorial

参考

  1. 《OpenGL ES 3.x 游戏开发》

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