OpenGL核心技术之数据缓存

Posted 2020-08-31 海洋_

笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，国家专利发明人;已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。

CSDN视频网址：http://edu.csdn.net/lecturer/144

在游戏中模型的渲染显示，当模型被加载后，在引擎底层需要DX库或者OpenGL库提供数据缓冲从而将数据传输到GPU中渲染绘制，模型都是由数据组成的，这些数据需要OpenGL图形库渲染它们时开辟一块缓冲内存进行存放，OpenGL为我们开发者提供了很多函数接口供我们使用，作为开发者熟悉这些关于缓冲数据操作的接口对于学习Shader编程也非常有帮助，市面上的Unity引擎和UE4虚幻引擎也是基于这些函数开发的，本片博客主要是为读者揭秘OpenGL中的数据缓冲原理。

在OpenGL中缓冲只是一块儿内存区域的对象，当把缓冲绑定到一个特定缓冲对象时，我们就给缓冲赋予了一个特殊的意义。当我们绑定到GL_ARRAY_BUFFER的时候，这个缓冲就是一个顶点数组缓冲，我们也可以简单地绑定到GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。OpenGL内部为每个目标（target）储存一个缓冲，并基于目标来处理不同的缓冲。

我们使用glBufferData函数填充缓冲对象管理的内存，这个函数分配了一块内存空间，然后把数据存入其中。如果我们向它的data这个参数传递的是NULL，那么OpenGL只会帮我们分配内存，而不会填充它。如果我们先打算开辟一些内存，稍后回到这个缓冲一点一点的填充数据，有些时候会很有用。

我们还可以调用glBufferSubData函数填充特定区域的缓冲，而不是一次填充整个缓冲。这个函数需要一个缓冲目标（target），一个偏移量（offset），数据的大小以及数据本身作为参数。这个函数新的功能是我们可以给它一个偏移量（offset）来指定我们打算填充缓冲的位置与起始位置之间的偏移量。这样我们就可以插入/更新指定区域的缓冲内存空间了。一定要确保修改的缓冲要有足够的内存分配，所以在调用glBufferSubData之前，调用glBufferData是必须的。注意，glBufferData函数接口在Shader编程中使用的非常广泛。它的函数接口如下所示：

glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 24, sizeof(data), &data); // 范围： [24, 24 + sizeof(data)]

把数据传进缓冲另一个方式是向缓冲内存请求一个指针，你自己直接把数据复制到缓冲中。调用 glMapBuffer 函数OpenGL会返回一个当前绑定缓冲的内存的地址，供我们操作，代码如下所示：

float data[] = {
  0.5f, 1.0f, -0.35f
  ...
};

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer);
// 获取当前绑定缓存buffer的内存地址
void* ptr = glMapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, GL_WRITE_ONLY);
// 向缓冲中写入数据
memcpy(ptr, data, sizeof(data));
// 完成够别忘了告诉OpenGL我们不再需要它了
glUnmapBuffer(GL_ARRAY_BUFFER);

调用glUnmapBuffer函数可以告诉OpenGL我们已经用完指针了，OpenGL会知道你已经做完了。通过解映射（unmapping），指针会不再可用，如果OpenGL可以把你的数据映射到缓冲上，就会返回GL_TRUE。

把数据直接映射到缓冲上使用glMapBuffer很有用，因为不用把它储存在临时内存里。你可以从文件读取数据然后直接复制到缓冲的内存里。

使用glVertexAttribPointer函数可以指定缓冲内容的顶点数组的属性的布局(Layout)。我们已经知道，通过使用顶点属性指针我们可以交叉(Interleave)属性，也就是说我们可以把每个顶点的位置、法线、纹理坐标放在彼此挨着的地方。现在我们了解了更多的缓冲的内容，可以采取另一种方式了。我们可以做的是把每种类型的属性的所有向量数据批量保存在一个布局，而不是交叉布局。

当从文件加载顶点数据时你通常获取一个位置数组，一个法线数组和一个纹理坐标数组。需要花点力气才能把它们结合为交叉数据。使用 glBufferSubData 可以简单的实现分批处理方式：

GLfloat positions[] = { ... };
GLfloat normals[] = { ... };
GLfloat tex[] = { ... };
// 填充缓冲
glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, sizeof(positions), &positions);
glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(positions), sizeof(normals), &normals);
glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(positions) + sizeof(normals), sizeof(tex), &tex);

这样我们可以把属性数组当作一个整体直接传输给缓冲，不需要再处理它们了。我们还可以把它们结合为一个更大的数组然后使用glBufferData立即直接填充它，不过对于这项任务使用glBufferSubData是更好的选择。

我们还要更新顶点属性指针来反应这些改变：

glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), 0);  
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(sizeof(positions)));  
glVertexAttribPointer(
  2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(sizeof(positions) + sizeof(normals)));

注意， stride 参数等于顶点属性的大小，由于同类型的属性是连续储存的，所以下一个顶点属性向量可以在它的后面3（或2）的元素那儿找到。

接下来介绍一下复制缓冲技术，当你的缓冲被数据填充以后，你可能打算让其他缓冲能分享这些数据或者打算把缓冲的内容复制到另一个缓冲里。glCopyBufferSubData函数让我们能够相对容易地把一个缓冲的数据复制到另一个缓冲里。函数的原型是：

void glCopyBufferSubData(GLenum readtarget, GLenum writetarget, GLintptr readoffset, GLintptr writeoffset, GLsizeiptr size);

readtarget和writetarget参数是复制的来源和目的的缓冲目标。例如我们可以从一个VERTEX_ARRAY_BUFFER复制到一个VERTEX_ELEMENT_ARRAY_BUFFER，各自指定源和目的的缓冲目标。当前绑定到这些缓冲目标上的缓冲会被影响到。

但如果我们打算读写的两个缓冲都是顶点数组缓冲(GL_VERTEX_ARRAY_BUFFER)怎么办？我们不能用通一个缓冲作为操作的读取和写入目标次。出于这个理由，OpenGL给了我们另外两个缓冲目标叫做：GL_COPY_READ_BUFFER和GL_COPY_WRITE_BUFFER。这样我们就可以把我们选择的缓冲，用上面二者作为readtarget和writetarget的参数绑定到新的缓冲目标上了。

接着glCopyBufferSubData函数会从readoffset处读取的size大小的数据，写入到writetarget缓冲的writeoffset位置。下面是一个复制两个顶点数组缓冲的例子：

GLfloat vertexData[] = { ... };
glBindBuffer(GL_COPY_READ_BUFFER, vbo1);
glBindBuffer(GL_COPY_WRITE_BUFFER, vbo2);
glCopyBufferSubData(GL_COPY_READ_BUFFER, GL_COPY_WRITE_BUFFER, 0, 0, sizeof(vertexData));

我们也可以把 writetarget 缓冲绑定为新缓冲目标类型其中之一：

GLfloat vertexData[] = { ... };
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo1);
glBindBuffer(GL_COPY_WRITE_BUFFER, vbo2);
glCopyBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, GL_COPY_WRITE_BUFFER, 0, 0, sizeof(vertexData));

有了这些额外的关于如何操纵缓冲的知识，我们已经可以以更有趣的方式来使用它们了。当你对OpenGL更熟悉，这些新缓冲方法就变得更有用。

其实前面讲述的核心技术的代码中都有介绍，实现绘制场景中物体事例代码如下所示：

#pragma region "aaaah"
    // Set the object data (buffers, vertex attributes)
    GLfloat cubeVertices[] = {
        // Positions          // Texture Coords
        -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 0.0f,
         0.5f, -0.5f, -0.5f,  1.0f, 0.0f,
         0.5f,  0.5f, -0.5f,  1.0f, 1.0f,
         0.5f,  0.5f, -0.5f,  1.0f, 1.0f,
        -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 0.0f,

        -0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.0f, 0.0f,
         0.5f, -0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,
         0.5f,  0.5f,  0.5f,  1.0f, 1.0f,
         0.5f,  0.5f,  0.5f,  1.0f, 1.0f,
        -0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.0f, 0.0f,

        -0.5f,  0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,
        -0.5f,  0.5f, -0.5f,  1.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f,
        -0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.0f, 0.0f,
        -0.5f,  0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,

         0.5f,  0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,
         0.5f,  0.5f, -0.5f,  1.0f, 1.0f,
         0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f,
         0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f,
         0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.0f, 0.0f,
         0.5f,  0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,

        -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f,
         0.5f, -0.5f, -0.5f,  1.0f, 1.0f,
         0.5f, -0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,
         0.5f, -0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,
        -0.5f, -0.5f,  0.5f,  0.0f, 0.0f,
        -0.5f, -0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f,

        -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f,
         0.5f,  0.5f, -0.5f,  1.0f, 1.0f,
         0.5f,  0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,
         0.5f,  0.5f,  0.5f,  1.0f, 0.0f,
        -0.5f,  0.5f,  0.5f,  0.0f, 0.0f,
        -0.5f,  0.5f, -0.5f,  0.0f, 1.0f
    };
    GLfloat floorVertices[] = {
        // Positions          // Texture Coords (note we set these higher than 1 that together with GL_REPEAT as texture wrapping mode will cause the floor texture to repeat)
        5.0f,  -0.5f,  5.0f,  2.0f, 0.0f,
        -5.0f, -0.5f,  5.0f,  0.0f, 0.0f,
        -5.0f, -0.5f, -5.0f,  0.0f, 2.0f,

        5.0f,  -0.5f,  5.0f,  2.0f, 0.0f,
        -5.0f, -0.5f, -5.0f,  0.0f, 2.0f,
        5.0f,  -0.5f, -5.0f,  2.0f, 2.0f								
    };
    GLfloat quadVertices[] = {   // Vertex attributes for a quad that fills the entire screen in Normalized Device Coordinates.
        // Positions   // TexCoords
        -1.0f,  1.0f,  0.0f, 1.0f,
        -1.0f, -1.0f,  0.0f, 0.0f,
         1.0f, -1.0f,  1.0f, 0.0f,

        -1.0f,  1.0f,  0.0f, 1.0f,
         1.0f, -1.0f,  1.0f, 0.0f,
         1.0f,  1.0f,  1.0f, 1.0f
    };	

    // Setup cube VAO
    GLuint cubeVAO, cubeVBO;
    glGenVertexArrays(1, &cubeVAO);
    glGenBuffers(1, &cubeVBO);
    glBindVertexArray(cubeVAO);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, cubeVBO);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(cubeVertices), &cubeVertices, GL_STATIC_DRAW);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);
    glEnableVertexAttribArray(1);
    glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(3 * sizeof(GLfloat)));
    glBindVertexArray(0);
    // Setup plane VAO
    GLuint floorVAO, floorVBO;
    glGenVertexArrays(1, &floorVAO);
    glGenBuffers(1, &floorVBO);
    glBindVertexArray(floorVAO);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, floorVBO);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(floorVertices), &floorVertices, GL_STATIC_DRAW);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);
    glEnableVertexAttribArray(1);
    glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(3 * sizeof(GLfloat)));
    glBindVertexArray(0);
    // Setup screen VAO
    GLuint quadVAO, quadVBO;
    glGenVertexArrays(1, &quadVAO);
    glGenBuffers(1, &quadVBO);
    glBindVertexArray(quadVAO);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, quadVBO);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(quadVertices), &quadVertices, GL_STATIC_DRAW);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glVertexAttribPointer(0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);
    glEnableVertexAttribArray(1);
    glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(2 * sizeof(GLfloat)));
    glBindVertexArray(0);

上面的代码中就用到了我们本章介绍的函数接口，实现的效果如下图所示：