CSharpGL(33)使用uniform块来优化对uniform变量的读写

CSharpGL(33)使用uniform块来优化对uniform变量的读写

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

Uniform块

如果shader程序变得比较复杂，那么其中用到的uniform变量数量也会上升。通常会在多个shader程序中用到同一个uniform变量。而uniform buffer object就是一种优化uniform变量访问，以及在不同的shader程序间共享uniform数据的方法。

写法

首先了解一下uniform块的写法。

uniform b { // ‘b’ 对应于外部访问时的名称
    vec4 v1;// 块中的变量列表
    bool v2;// …
}; // 访问成员时使用v1、v2

或者

uniform b { // ‘b’ 对应于外部访问时的名称
    vec4 v1;// 块中的变量列表
    bool v2;// …
} name; // 访问成员时使用name.v1、name.v2

注意，shader程序中的数据类型有两种：不透明的和透明的；其中不透明的包括sampler、image和atomic counter。一个uniform块中只能包含透明类型的变量。

另外，在同一个shader程序里的两个uniform块，里面的变量名都不能相同。

下面我们以具体例子的编写过程来说明在如何使用uniform块，顺便了解一下CSharpGL是如何简化对uniform块的使用的。

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

Shader

我认为用Modern OpenGL渲染，首先要写shader。我们先看一个简单的vertex shader。

#version 330 core

uniform mat4 projectionMatrix;
uniform mat4 viewMatrix;
uniform mat4 modelMatrix;

in vec3 vPos;
in vec3 vColor;
out vec3 fColor;

void main(void) {
 
    gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(vPos, 1.0);
    
    fColor = vColor;
}

我们就把这里面的uniform变量换作块，如下，只是把原来的uniform变量包了起来，并命名为“Uniforms”。

#version 330 core

uniform Uniforms {
    mat4 projectionMatrix;
    mat4 viewMatrix;
    mat4 modelMatrix;
};

in vec3 vPos;
in vec3 vColor;
out vec3 fColor;

void main(void) {
 
    gl_Position = projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix * vec4(vPos, 1.0);
    
    fColor = vColor;
}

而fragment shader则更简单：

#version 330 core

in vec3 fColor;

out vec4 out_Color;

void main(void) {
    out_Color = vec4(fColor, 1.0f);
}

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准备工作

传送一个自定义的struct

Uniform块，实际上对应一个在应用程序客户端的struct类型。对于示例中的‘Uniforms’块，我们可以定义如下的结构体。为了方便对照，我们也用‘Uniforms’作为 struct 名，其实你可以用任意你喜欢的名字。

    struct Uniforms : IEquatable<Uniforms>
    {
        public mat4 projection;
        public mat4 view;
        public mat4 model;

        public Uniforms(mat4 projection, mat4 view, mat4 model)
        {
            this.projection = projection;
            this.view = view;
            this.model = model;
        }

        public bool Equals(Uniforms other)
        {
            return this.projection == other.projection
                && this.view == other.view
                && this.model == other.model;
        }
    }

今后我们就将数据准备好后保存到一个 Uniforms 对象，最终传送到shader。

 

uniform块结构

这里是重点了。传送float类型的uniform变量，我们有 UniformFloat ；传送vec3类型的uniform变量，我们有 UniformVec3 。但是uniform块传送的是一个个可以任意自定义的不同的结构体（例如上面的struct Uniforms），因此最好用一个泛型的 UniformBlock<T> 。

    public class UniformBlock<T> : UniformSingleVariableBase where T : struct, IEquatable<T>
    {
        protected T value;

        public T Value
        {
            get { return this.value; }
            set
            {
                if (!value.Equals(this.value))
                {
                    this.value = value;
                    this.Updated = true;
                }
            }
        }

        public UniformBlock(string blockName) : base(blockName) { }

        public UniformBlock(string blockName, T value) : base(blockName) { this.Value = value; }

        protected override void DoSetUniform(ShaderProgram program)
        {
            // ...
        }
    }

 UniformBlock<T> 更新uniform块的操作比较复杂：它要创建一个uniform buffer object，并与之绑定；以后它只需更新这个buffer里的数据，就可以实现对uniform块的更新。

       protected override void DoSetUniform(ShaderProgram program)
        {
            if (uniformBufferPtr == null)
            {
                uniformBufferPtr = Initialize(program);
            }
            else
            {
                IntPtr pointer = uniformBufferPtr.MapBuffer(MapBufferAccess.WriteOnly, bind: true);
                unsafe
                {
                    var array = (byte*)pointer.ToPointer();
                    byte[] bytes = this.value.ToBytes();
                    for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
                    {
                        array[i] = bytes[i];
                    }
                }
                uniformBufferPtr.UnmapBuffer(unbind: true);
            }

            this.Updated = false;
        }

        /// <summary>
        /// Initialize and setup uniform block's value.
        /// </summary>
        /// <param name="program"></param>
        /// <returns></returns>
        private UniformBufferPtr Initialize(ShaderProgram program)
        {
            uint uboIndex = glGetUniformBlockIndex(program.ProgramId, this.VarName);
            var uboSize = new uint[1];
            glGetActiveUniformBlockiv(program.ProgramId, uboIndex, OpenGL.GL_UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE, uboSize);
            UniformBufferPtr result = null;
            using (var buffer = new UniformBuffer<byte>(BufferUsage.StaticDraw, noDataCopyed: false))
            {
                byte[] bytes = this.value.ToBytes();
                buffer.Create(bytes.Length);
                unsafe
                {
                    var array = (byte*)buffer.Header.ToPointer();
                    for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
                    {
                        array[i] = bytes[i];
                    }
                }

                result = buffer.GetBufferPtr() as UniformBufferPtr;
            }

            // 将此uniform块与此uniform buffer object绑定。
            glBindBufferBase(OpenGL.GL_UNIFORM_BUFFER, uboIndex, result.BufferId);

            return result;
        }

        private UniformBufferPtr uniformBufferPtr = null;

 

SetUniform()

对于普通的uniform变量，CSharpGL用 Renderer.SetUniform(string varName, T value) where T : struct 即可（无论是什么类型的uniform都可以处理）。对于Uniform块，也可以用这个方法！

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UniformBlockRenderer

有了上述准备，我们就可以使用uniform块了。

创建渲染器

按照CSharpGL的传统，下面来创建一个UniformBlockRenderer，负责加载shader、模型数据和渲染工作。

    class UniformBlockRenderer : Renderer
    {
        public static UniformBlockRenderer Create()
        {
            var model = new Teapot();// model
            var shaderCodes = new ShaderCode[2];// shaders
            shaderCodes[0] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"shaders \UniformBlock.vert"), ShaderType.VertexShader);
            shaderCodes[1] = new ShaderCode(File.ReadAllText(@"shaders \UniformBlock.frag"), ShaderType.FragmentShader);
            var map = new AttributeNameMap();// mapping relation between model and shaders
            map.Add("vPos", Teapot.strPosition);
            map.Add("vColor", Teapot.strColor);
            var renderer = new UniformBlockRenderer(model, shaderCodes, map);// renderer

            return renderer;
        }
    }

设置uniform块的值

就像普通的uniform变量一样，我们也在 Renderer.DoRender() 方法里更新uniform块。

        protected override void DoRender(RenderEventArgs arg)
        {
            mat4 projection = arg.Camera.GetProjectionMatrix();
            mat4 view = arg.Camera.GetViewMatrix();
            mat4 model = this.GetModelMatrix();
            // 设置uniform块，只需这一行。
            this.SetUniform("Uniforms", new Uniforms(projection, view, model));

            base.DoRender(arg);
        }

完成的效果如图，能够正常渲染，说明我们成功地更新了uniform块里的数据。

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下载

CSharpGL已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

+BIT祝威+悄悄在此留下版了个权的信息说：

总结

借助C#的struct与byte[]的相互转换，加上CSharpGL对Modern Rendering的封装，实际上我们不需要调用 glGetUniformIndices 、 glGetActiveUniformsiv （用于获取shader中uniform块里的各个变量的偏移量）这些接口，就可以使用uniform块了。

当shader中写了一个uniform块时，你只需在应用程序客户端也写一个对应的 struct ，然后用 Renderer.SetUniform(blockName, structObj); 一行即可实现对uniform块数据的更新。

PS：测试过程中发现对于vec3结果正常，但是vec4却有诡异的情况，后来想到应用程序客户端里的vec4与shader里的vec4的xyzw布局不一样，可能因此导致原本属于w的数据最终传送到了shader里的y上。于是在调整了CSharpGL里的vec4的字段顺序后就一切正常了。为了避免以后我或者其他人在忘记\不知情的情况下擅自改动了vec4的字段顺序，我用 [FieldOffset(...)] 特性标注了vec4的各个字段。这真是一个很深的bug。多亏我对C#的struct布局也是有所了解。

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