OpenGL：如何使用深度排序的顶点数组设计高效的渲染系统？

Posted 2023-04-15

【中文标题】OpenGL：如何使用深度排序的顶点数组设计高效的渲染系统？

【英文标题】：OpenGL: How to design efficient rendering system using vertex arrays with depth sorting?

【发布时间】：2011-05-24 10:06:21

【问题描述】：

人们经常告诉我至少要使用顶点数组。但我认为这不是一个好主意，因为我使用 glPushMatrix() 和 glTranslatef/glRotatef 在 3d 世界中定位对象。

那么，我是否应该停止使用glPushMatrix() 并“手动”计算世界中旋转/移动的顶点位置，然后将它们的顶点数据推送到顶点数组中，然后一次全部渲染？

但是，当我为屏幕上的所有对象使用不同的纹理表面时，这一切都会变得更加混乱。

所以：

我还必须使用纹理表面 ID 存储每个对象。 我会按 Z 位置对所有可见对象进行排序（游戏只能自上而下查看，所有对象都是平面的）。 我会遍历这个排序数组： 创建新缓冲区并仅将顶点/texcoord/color/normal 复制到此缓冲区中： 每次纹理表面 ID 与之前的 ID 发生变化时，我都会绑定到正确的纹理 ID： 上传我收集的顶点数据。 释放用于临时顶点数组的缓冲区。 重复步骤 4-7，直到我完成了我首先排序的所有数据。 释放排序后的数组数据，然后重复步骤 1-9。

我做得对吗？

另外，我应该如何为要排序的对象设计数据结构？例如，使用std::vector 存储每个对象的顶点数据好不好？还是有更好的选择？我在想存储所有这些数据的std::vector 看起来像：

struct GameObject 
    int TexID;
    float z; // we will sort by this
    vector<VTCNStruct> VertexData; // store each point of the object here (including color/normal/texcoord points).
;

vector<GameObject> GameObjectBuffer; // push all sortable objects here

另外，在第 4 步：在这种情况下是否可以使用已经存在的std::vector？我的想法是我必须使用原始数组，例如new float[100] 将顶点数组发送到我的GPU，或者我可以以某种方式（有效地）在这里使用我已经存在的排序std::vector，而无需每次都创建新缓冲区纹理 ID 改变了？

【参考方案1】：

现在请放弃 glBegin/glEnd，它已被弃用，并已从 OpenGL-4 中删除。你绝对应该使用顶点数组，如果你使用顶点缓冲区对象会更好。

使用立即模式 (glBegin/glEnd)，OpenGL 驱动程序必须从函数调用中构建一个顶点数组。由于不清楚会到达多少顶点，它最终会多次重新分配内存（GPU直接执行glBegin/glEnd之间调用的时间已经过去了）。

使用顶点数组的性能永远不会低于立即模式。可以将多个对象的几何图形放入单个顶点数组中，您可以通过顶点索引列表将它们分开。顶点索引列表也可以存储在缓冲区对象中。

然后在绘制对象之间调整模型视图矩阵。

排序顺序应如下所示：

分为不透明和半透明对象。对不透明进行排序 按 GL 对象（纹理、着色器、材质等）对 opqaues 进行排序，因为切换 GL 对象的开销最大。 对于每个不同的 GL 对象组，从近到远排序并按该顺序绘制 将半透明物体从远到近排序并按此顺序绘制

您不应该尝试摆弄缓冲区向上/下载。只需上传一次顶点数据，然后调整索引数组及其提交顺序即可。无需担心可用的 OpenGL 内存，没有强制限制。如果您的数据不适合 GPU RAM，则驱动程序负责将其交换到系统内存——这也是您应该首先按 OpenGL 对象排序的原因，因为每次切换 OpenGL 对象（glBindTexture、glBindBuffer 等）时，驱动程序可能需要交换，因此您希望将这些交换操作保持在最低限度。以索引数组的形式发送到 GPU 的数据量至少会比立即模式调用发送的数据量少得多：

索引数组：每个顶点 16 位（16 位大小的索引性能最高）。

立即模式调用：每个顶点 4*32 位

【讨论】：

Index array: 16 bit per vertex VS。 Immediate mode call: 4*32 bit per vertex 是不是计算错误，因为使用顶点数组，您还必须发送顶点数据。假设我发送 glVertex3f(1,1,1) 函数地址需要 3*32 位 + 32 位？但是对于顶点数组，我还必须发送 x,y,z 需要 3*32 位 + 索引，需要 16 位，总保存位 = 16？或者我错过了什么？据我所知，您无法将顶点数组存储到 GPU 中，因此您必须每帧一次又一次地发送顶点数据，即使它没有改变......？

使用顶点缓冲区对象顶点数组确实存储在 GPU 内存中。大多数现代驱动程序在不明确使用 VBO 的情况下倾向于在原位创建它们，因为现代 GPU 就是这样工作的。

就地？你是什​​么意思，现代GPU自动将所有顶点数组转换为VBO？？

不是 GPU，而是驱动程序。现代 GPU 处理驻留在自己内存中的大块几何数据。因此，任何要绘制的几何图形都必须首先传输到 GPU 内存。因此立即模式调用必须动态创建一个顶点数组。然而，API 不会反映这一点，因此使用不使用 VBO 的顶点数组将不会导致可访问的 VBO。这一切都发生在 OpenGL API 的幕后。

【参考方案2】：

您应该为每个对象保留一个顶点数组。不要使用 glTranslatef/glRotatef 等。而是自己将变换折叠成一个矩阵。使用该矩阵对对象进行深度排序。然后通过推送对象变换矩阵，绘制顶点数组，然后弹出变换矩阵，从前到后绘制对象。

这种方法意味着您不必经常创建和释放数组来存储顶点数据。

至于使用 std::vector，大多数实现都在内部使用原始 C 数组，因此，您可以执行 &myVec[0] 来获取该数组。但是，不要尝试持久化该指针，因为 std::vector 可能会更改 realloc 其数组，然后你的持久化指针将不再有效。

【讨论】：

“你应该为每个对象保留一个顶点数组”——这很聪明吗？因为我的大多数对象只是四边形，当我不仅向 GPU 发送更多数据（以颜色/法线数组的方式）时，这不会使用更多带宽，而且我还需要在每个对象之间发送顶点数组上传命令.

如何将我的变换折叠成一个矩阵？另外，你不是说从后往前吗？所以，基本上你建议我保留glPushMatrix()，而不是glBegin/glEnd，我会使用顶点数组？如果我想改用 VBO，我应该保持你建议的方法吗？

新手-我不是 OpenGL 程序员，但我相信 Josh 的意思是你应该先绘制最前面（例如，屏幕上的壁橱）的对象，最后绘制最远的对象。编辑——通过将变换折叠成一个矩阵，我相信你可以使用一些数学技巧来获得一个变换来移动/旋转/等。一口气。