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songho——OpenGL的顶点缓冲对象

news 来源：原创 2024/5/19 14:25:17

http://www.songho.ca/opengl/gl_vbo.html
另外参考网址：http://dev.gameres.com/Program/Visual/3D/vbo.htm

GL_ARB_vertex_buffer_object扩展的目的是提高OpenGL的性能，通过利用顶点数组和显示列表。避免了实现的缺点。顶点缓冲对象VBO允许顶点数据存储在高性能的图形显卡的内存中，提高数据的传输。如果缓冲对象用来存储像素数据，它要调用 Pixel Buffer Object (PBO).

使用顶点数组，可以减少函数的调用，重复利用共享的顶点。但是，使用顶点数组的弊端是，顶点数组函数是在客户端状态，数组中的数据必须在每次需要使用的时候重新在服务端设置。

另外一个方面，显示列表是服务器端的函数，它不受数据传输的影响。但是，一旦显示列表被编译，显示列表中的数据就不能被修改。

顶点缓冲对象为顶点属性创建缓冲对象，它是在服务器端，在高性能的内存中。提供相同的访问函数来引用数组，这个被用于顶点数组中，如glVertexPointer，glNormalPointer，glTexCoordPointer等等。

在顶点缓冲对象中内存管理将会把缓冲对象到最合适的内存空间，这个基于用户的提示：目标和使用方式。因此，内存管理者可用优化缓冲，通过在3中内存中权衡：系统、AGP和视频内存。

和显示列表不同，在顶点缓冲中的数据，可用被读，可用通过映射用户的内存来更新。

VBO的另外一个重要的优点，多个用户共享缓冲对象，像显示列表和纹理。由于VBO是服务端的，多个客户端可用通过对应的标识符来访问同一个缓冲。

创建顶点缓冲对象：
创建顶点缓冲对象，需要三步：
1、产生新的缓冲对象glGenBuffers
2、绑定缓冲对象glBindBuffer
3、拷贝数据到缓冲对象glBufferData

glGenBuffers
glGenBuffers创建缓冲对象，返回的是缓冲对象的id。它需要两个参数：第一个是缓冲对象的个数，第二个参数是GLuint的数组，包含一个ID或者多个ID。

void glGenBuffers(GLsizei n, GLuint* ids)

glBindBuffer()
一旦缓冲对象被创建，我们需要缓冲对象的对应的ID，glBindBuffer()有两个参数：目标和ID：

void glBindBuffer(GLenum target, GLuint id)

目标是一个提示告诉VBO，这个缓冲对象将会用来存储顶点数组数据还是索引数组数据：GL_ARRAY_BUFFER 或者
GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。任何一个顶点属性，比如顶点坐标，纹理坐标，法线或者颜色分量数组都应该使用GL_ARRAY_BUFFER。索引数组是用在这个函数glDraw[Range]Elements()，它将绑定的是GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。注意这个目标标记帮助VBO来最有效率决定缓冲对象的位置，比如，有些系统更偏向于在AGP或者是系统内存中使用索引，而在视频内存中使用顶点数据。

一旦，glBindBuffer()第一次被调用，VBO会使用零来初始化缓冲，设置VBO最初的状态，比如使用和访问属性。

glBufferData()
你可以在缓冲被初始化之后，使用glBufferData()来拷贝数据到缓冲对象。

void glBufferData(GLenum target, GLsizei size, const void* data, GLenum usage)

第一个参数，为目标，其值可以为GL_ARRAY_BUFFER 或则GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。第二个参数是将要传送的数据的字节个数。第三个参数是指向源数据的指针。如果数据是NULL指针，那么VBO将保留给定的数据大小内存空间。最后一个参数，使用标记参数，用来标记VBO的使用缓冲对象的方式，它可以是static、dynamic或者是istream、read、copy或者是draw。

VBO定义8个枚举值，用来标记如何使用缓冲数据。

GL_STATIC_DRAW
GL_STATIC_READ
GL_STATIC_COPY
GL_DYNAMIC_DRAW
GL_DYNAMIC_READ
GL_DYNAMIC_COPY
GL_STREAM_DRAW
GL_STREAM_READ
GL_STREAM_COPY

"static"意味着VBO中的数据不会被改变（定义一次使用多次），"dynamic"意味着数据将会改变的很频繁（指定一次，重复使用），"stream"意味着数据会在每帧改变（指定一次使用一次）。"draw"意味着数据将会被送到GPU以备绘制（应用到GL），"read"意味着数据将会被客户端应用读取（GL到应用），"copy"意味着数据将会被用来绘制和读取（GL
到GL）。

注意只有绘制对VBO有用，拷贝和读取只对每像素/每帧的缓冲对象有意义（PBO或者FBO）。

VBO内存管理将会根据这些应用标记，选择最好的内存来存放缓冲对象，比如GL_STATIC_DRAW 和GL_STREAM_DRAW 会用来视频内存，GL_DYNAMIC_DRAW 会用AGP内存，任何_READ_相关的内存会在系统或者AGP内存，因为这些数据将会很容易访问。

glBufferSubData()

void glBufferSubData(GLenum target, GLint offset, GLsizei size, void* data)

和glBufferData()类似，glBufferSubData()被用来拷贝数据到VBO，但是它只替换一部分数据到已存在的缓冲，从给定的开始位置。（缓冲的总大小需要在使用glBufferSubData之前使用glBufferData设置）。

glDeleteBuffers()

void glDeleteBuffers(GLsizei n, const GLuint* ids)

你可以使用void glDeleteBuffers来删除一个VBO或者VBOs。当一个缓冲对象被删除之后，它的内容将会被丢失。

下面代码是对于每个顶点坐标，来创建一个VBO的例子。注意你可以在你的应用拷贝数据到VBO之后，删除顶点数组的内存分配。


GLuint vboId;                              // ID of VBO
GLfloat* vertices = new GLfloat[vCount*3]; // create vertex array
...

// generate a new VBO and get the associated ID
glGenBuffers(1, &vboId);

// bind VBO in order to use
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);

// upload data to VBO
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, dataSize, vertices, GL_STATIC_DRAW);

// it is safe to delete after copying data to VBO
delete [] vertices;
...

// delete VBO when program terminated
glDeleteBuffers(1, &vboId);

绘制VBO
由于VBO在存在的顶点数组实现之上，渲染VBO和使用顶点数组一样。唯一的不同是，指向顶点数组的指针是当前绑定的缓冲对象的开始位置。因此除了glBindBuffer()之外，没有额外的函数需要用来绘制一个VBO。

绑定缓冲对象用0，就会关闭VBO的操作。这是个很好的主意用来关闭VBO，在使用之后。所以正常的顶点数组操作用决定的指针将会被激活。

// bind VBOs for vertex array and index array
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId1);            // for vertex attributes
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vboId2);    // for indices

glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);             // activate vertex position array
glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);             // activate vertex normal array
glEnableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);      // activate texture coord array

// do same as vertex array except pointer
glVertexPointer(3, GL_FLOAT, stride, offset1);    // last param is offset, not ptr
glNormalPointer(GL_FLOAT, stride, offset2);
glTexCoordPointer(2, GL_FLOAT, stride, offset3);

// draw 6 faces using offset of index array
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 36, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);

glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);            // deactivate vertex position array
glDisableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);            // deactivate vertex normal array
glDisableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);     // deactivate vertex tex coord array

// bind with 0, so, switch back to normal pointer operation
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);

OpenGL 版本2.0将会增加glVertexAttribPointer()、glEnableVertexAttribArray（）和glDisableVertexAttribArray()函数用来指定通用的顶点属性。比如，你可以指定所有的顶点属性：位置、法线、颜色、纹理坐标，使用单个API：

// bind VBOs for vertex array and index array
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId1);            // for vertex coordinates
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vboId2);    // for indices

glEnableVertexAttribArray(attribVertex);          // activate vertex position array
glEnableVertexAttribArray(attribNormal);          // activate vertex normal array
glEnableVertexAttribArray(attribTexCoord);        // activate texture coords array

// set vertex arrays with generic API
glVertexAttribPointer(attribVertex, 3, GL_FLOAT, false, stride, offset1);
glVertexAttribPointer(attribNormal, 3, GL_FLOAT, false, stride, offset2);
glVertexAttribPointer(attribTexCoord, 2, GL_FLOAT, false, stride, offset3);

// draw 6 faces using offset of index array
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 36, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);

glDisableVertexAttribArray(attribVertex);         // deactivate vertex position
glDisableVertexAttribArray(attribNormal);         // deactivate vertex normal
glDisableVertexAttribArray(attribTexCoord);       // deactivate texture coords

// bind with 0, so, switch back to normal pointer operation
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);

更新VBO
VBO比显示列表的优点是，客户端可以读取和修改缓冲对象数据，但是显示列表不能。更新VBO最简单的方法是，拷贝新的数据到指定的VBO，使用glBufferData()或者glBufferSubData()。对于这个情况，你的应用该有一个有用的顶点数组。这就意味着你需要有两份顶点数据，一个是应用，另外一个是VBO。

另外一个修改缓冲对象的方法是，应用缓冲对象到你的客户端内存，客户端可以更新数据，使用指针指向映射对象。下面描述如何映射VBO到客户端内存，如何访问映射数据。

glMapBuffer()
VBO提供glMapBuffer()为了映射缓冲对象到客户端内存。

void* glMapBuffer(GLenum target, GLenum access)

如果OpenGL能用来映射缓冲对象到客户端地址空间，glMapBuffer()返回指针到缓冲。否则返回NULL。
第一个参数，目标，早先提到过，在glBindBuffer()中。第二个参数，访问标记指定对映射数据做什么，读、写后者两者都有。

GL_READ_ONLY
GL_WRITE_ONLY
GL_READ_WRITE

注意glMapBuffer阴影同步问题。如果GPU还是工作在缓冲对象，glMapBuffer将不会返回直到GPU在对应的缓冲对象上完成工作。

为了避免等待，你可以首先调用glBufferData()使用NULL指针，然后调用glMapBuffer()。在这种情况下，之前的数据会被丢弃，glMapBuffer()返回新开辟的内存指针立刻，甚至是GPU依然和之前的数据在工作，也会及时返回。

但是，这个方法是仅仅是在我们想要更新整个数据集合时有用，因为你丢弃了之前的数据。如果你想要改变一部分数据或者是读取数据，你最好不要释放之前的数据。

glUnmapBuffer()

GLboolean glUnmapBuffer(GLenum target)

在修改了VBO的数据之后，需要从客户端内存中解映射缓冲对象。glUmapBuffer()返回GL_TRUE，如果成功。当返回的是GL_FALSE，VBO的内容在被映射的时候被破坏。崩溃的结果来源于屏幕分辨率的改变或者是窗口系统特定的事件。这种情况下，数据必须重新提交。

这里有一个段代码是使用映射方法修改VBO。


// bind then map the VBO
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);
float* ptr = (float*)glMapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, GL_WRITE_ONLY);

// if the pointer is valid(mapped), update VBO
if(ptr)
{
    updateMyVBO(ptr, ...);             // modify buffer data
    glUnmapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER);    // unmap it after use
}

// you can draw the updated VBO
...