Opengl ES之VBO和VAO

前言

本文主要介绍了什么是VBO/VAO，为什么需要使用VBO/VAO以及如何使用VBO和VAO。

VBO

什么是VBO

VBO(vertex Buffer Object)：顶点缓冲对象。是在显卡存储空间中开辟的一块区域，在显卡存储空间中开辟一块区域，用于存放顶点的各类属性信息。如顶点坐标、纹理坐标、顶点颜色等数据。
在渲染时直接从显VBO去取数据而不必与CPU进行数据交换。

为什么需要使用VBO

将顶点数据保存在内存中，在调用glDrawArrays或者glDrawElements等绘制方法前需要调用相应的方法将数据送入显存，I/O开销大，性能不够好。
若采用顶点缓冲区对象存放顶点数据，则不需要在每次绘制前都将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。

如何使用VBO

• 使用函数glGenBuffers和一个缓冲ID生成一个VBO对象：

unsigned int VBO;
glGenBuffers(1, &VBO);

• 使用函数glBindBuffer绑定顶点缓冲对象的缓冲类型是GL_ARRAY_BUFFER

OpenGL有很多缓冲对象类型，顶点缓冲对象的缓冲类型是GL_ARRAY_BUFFER。

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); 

• 使用函数glBufferData把定义好的顶点数据复制到缓冲的内存中：

// vertices表示顶点数组
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

glBufferData是一个专门用来把用户定义的数据复制到当前绑定缓冲的函数。它的第一个参数是目标缓冲的类型，其中VBO代表是的GL_ARRAY_BUFFER。第二个参数指定传输数据的大小(以字节为单位)，用一个简单的sizeof计算出顶点数据大小就行。
第三个参数是我们希望发送的实际数据。第四个参数指定了我们希望显卡如何管理给定的数据，它有三种形式：

GL_STATIC_DRAW ：数据不会或几乎不会改变。
GL_DYNAMIC_DRAW：数据会被改变很多。
GL_STREAM_DRAW ：数据每次绘制时都会改变。

一般情况下位置数据不会改变，每次渲染调用时都保持原样，所以它的使用类型一般是GL_STATIC_DRAW。如果一个缓冲中的数据将频繁被改变，那么使用的类型就是GL_DYNAMIC_DRAW或GL_STREAM_DRAW，这样就能确保显卡把数据放在能够高速写入的内存部分。

• 用完后使用函数glDeleteBuffers删除缓冲区

今天我们以之前绘制四边形的实践为例子，使用VBO的方式来实现四边形的绘制：Opengl ES之四边形绘制

我们的目标是灵活使用Opengl绘制一个蓝色的四边形...

普通常规的绘制这里就不多说了，后续可以看代码，或者回顾之前的四边形绘制的文章，这里主要介绍搭配VBO的两种绘制方式：

首先它们使用的顶点着色器和片段着色器都是一样的，都是：

// 顶点着色器
static const char *ver = "#version 300 es\n"
                         "in vec4 aColor;\n"
                         "in vec4 aPosition;\n"
                         "out vec4 vColor;\n"
                         "void main() {\n"
                         "    vColor = aColor;\n"
                         "    gl_Position = aPosition;\n"
                         "}";

// 片元着色器
static const char *fragment = "#version 300 es\n"
                              "precision mediump float;\n"
                              "in vec4 vColor;\n"
                              "out vec4 fragColor;\n"
                              "void main() {\n"
                              "    fragColor = vColor;\n"
                              "}";

1. 顶点坐标与颜色值坐标分离的方式(数组结构)

先看顶点数据与颜色数据：

// 使用绘制两个三角形组成一个矩形的形式(三角形带)
// 第一第二第三个点组成一个三角形，第二第三第四个点组成一个三角形
const static GLfloat VERTICES[] = {
        0.5f,-0.5f, // 右下
        0.5f,0.5f, // 右上
        -0.5f,-0.5f, // 左下
        -0.5f,0.5f, // 左上
};

// vbo颜色
const static GLfloat COLOR_ICES[] = {
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
};

VBO数据与绑定：

  // vbo
    glGenBuffers(3,vbo);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(VERTICES),VERTICES,GL_STATIC_DRAW);

    // 颜色
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(COLOR_ICES),COLOR_ICES,GL_STATIC_DRAW);

主要绘制代码：

     // 使用VBO的方式绘制，顶点与颜色分开
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0]);
//    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,(void *)0);
//    // 启用顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
//
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1]);
//    glVertexAttribPointer(colorHandle,4,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,(void *)0);
//    // 启用颜色顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(colorHandle);
//    // 解除绑定
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);

2. 顶点坐标与颜色值坐标结合的方式(结构数组)

顶点数据与颜色数据混合打乱:

const static GLfloat VERTICES_AND_COLOR[] = {
        0.5f,-0.5f, // 右下
        // 颜色
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        0.5f,0.5f, // 右上
        // 颜色
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        -0.5f,-0.5f, // 左下
        // 颜色
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        -0.5f,0.5f, // 左上
        // 颜色
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
};

VBO数据绑定：

    // vbo
    glGenBuffers(3,vbo);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(VERTICES),VERTICES,GL_STATIC_DRAW);

    // 颜色
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(COLOR_ICES),COLOR_ICES,GL_STATIC_DRAW);

    // 顶点与颜色混合，先顶点坐标，再颜色坐标
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[2]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(VERTICES_AND_COLOR),VERTICES_AND_COLOR
                 ,GL_STATIC_DRAW);

主要绘制代码：

    // VBO绘制 顶点坐标与颜色坐标一起
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[2]);
//    // stride 步长 每个顶点坐标之间相隔6个数据点，数据类型是float
//    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,6 * sizeof(float ),(void *)0);
//    // 启用顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
//    // stride 步长 每个颜色坐标之间相隔6个数据点，数据类型是float，颜色坐标索引从2开始
//    glVertexAttribPointer(colorHandle,4,GL_FLOAT,GL_FALSE,6 * sizeof(float ) ,(void *)(2 * sizeof(float)) );
//    // 启用颜色顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(colorHandle);
//    // 解除绑定
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);

它们的运行结果都是成功绘制了一个蓝色的四边形：

性能

在上面我们使用了多种不同的组合方式进行了四边形的绘制，其中有将顶点坐标和颜色坐标分离写在两个不同的数组的方式，也有将顶点坐标和颜色坐标组合写在同一个数组，然后使用步长(stride)和偏移量(*pointer)参数控制的方式进行绘制，那么这两种方式那种性能更佳呢？

其中将各种顶点坐标分离在不同数组的写法又成为数组结构，而将各种顶点坐标合并成一个数组的写法又称为结构数组，在《OPENGL ES 3.0编程指南》一书中作者指出，结构数组的写法性能更好。

在大部分情况下，答案是结构数组。
原因是，每个顶点的属性数据可以顺序方式读取，这最有可能造成高效的内存访问模式。

VAO

什么是VAO

VAO(vertex Array Object)：顶点数组对象。

注意： VAO是OpenGL ES 3.0之后才推出的新特性， 所以在使用VAO前需要确定OpenGL ES的版本是否是3.0之后的版本。

顶点数组对象可以像顶点缓冲对象那样被绑定，任何随后的顶点属性调用都会储存在这个VAO中。这样的好处就是，当配置顶点属性指针时，你只需要将那些调用执行一次，之后再绘制物体的时候只需要绑定相应的VAO就行了。这使在不同顶点数据和属性配置之间切换变得非常简单，只需要绑定不同的VAO就行了。刚刚设置的所有状态都将存储在VAO中。

一个顶点数组对象会储存以下这些内容：

• glEnableVertexAttribArray和glDisableVertexAttribArray的调用。
• 通过glVertexAttribPointer设置的顶点属性配置。
• 通过glVertexAttribPointer调用与顶点属性关联的顶点缓冲对象。

在上面VBO的介绍中我们知道每次在绘制的时候都需要频繁地绑定与解绑VBO，每次绘制还需要取出VBO中的数据进行赋值之后才能进行绘制渲染。当数据量大的时候，重复这些操作就会变得很繁琐。通过VAO就可以简化这个过程，因此VAO可以简单理解成VBO的管理者，避免在帧绘制时再去手动操纵VBO，VAO不能单独使用，
需要搭配VBO使用。

对于GPU来说VBO就是一堆数据，但是这堆数据怎么解析使用，需要glEnableVertexAttribArray等相关函数在每次绘制的时候告诉GPU，那么VAO的作用就是简化这个过程的，只需要在初始化的时候将这些解析逻辑与VAO绑定一次即可，
然后每次在绘制的时候只需绑定对应的VAO，而不必每次再绑定VBO，然后去告诉GPU如何解析相关数据了，可以说是一个性能的优化了。

如何使用VAO

• 首先调用函数glGenVertexArrays生成VAO

unsigned int VAO;
glGenVertexArrays(1, &VAO);

• 调用函数glBindVertexArray绑定VAO

glBindVertexArray(VAO);
// 管理VBO，让VAO记住VBO的数据如何解析使用
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
// 3. 设置顶点属性指针
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
glBindVertexArray(0);

然后在绘制的时候使用函数glBindVertexArray(VAO)使用即可。

• 退出时通过函数glDeleteVertexArrays删除VAO

glDeleteVertexArrays

主要绑定代码：

    // VAO
    glGenVertexArrays(1,&vao);
    glBindVertexArray(vao);
    // VAO与VBO关联
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[2]);
    // stride 步长 每个顶点坐标之间相隔6个数据点，数据类型是float
    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,6 * sizeof(float ),(void *)0);
    // 启用顶点数据
    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
    // stride 步长 每个颜色坐标之间相隔6个数据点，数据类型是float，颜色坐标索引从2开始
    glVertexAttribPointer(colorHandle,4,GL_FLOAT,GL_FALSE,6 * sizeof(float ) ,(void *)(2 * sizeof(float)) );
    // 启用颜色顶点数据
    glEnableVertexAttribArray(colorHandle);
    // 解除绑定
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);

    glBindVertexArray(0);

主要使用绘制代码：

   // VBO与VAO配合绘制
    // 使用vao
    glBindVertexArray(vao);
    // 4个顶点绘制两个三角形组成矩形
    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP,0,4);
    glUseProgram(0);
    // vao解除绑定
    glBindVertexArray(vao);

下面是完整代码：

VBOVAOOpengl.h

static const int NUM_VBO = 3;

class VBOVAOOpengl:public BaseOpengl{

public:
    VBOVAOOpengl();
    virtual ~VBOVAOOpengl();
    virtual void onDraw();
private:
    GLint positionHandle{-1};
    GLint colorHandle{-1};
    GLuint vbo[NUM_VBO];
    GLuint vao{0};

};

VBOVAOOpengl.cpp

// 顶点着色器
static const char *ver = "#version 300 es\n"
                         "in vec4 aColor;\n"
                         "in vec4 aPosition;\n"
                         "out vec4 vColor;\n"
                         "void main() {\n"
                         "    vColor = aColor;\n"
                         "    gl_Position = aPosition;\n"
                         "}";

// 片元着色器
static const char *fragment = "#version 300 es\n"
                              "precision mediump float;\n"
                              "in vec4 vColor;\n"
                              "out vec4 fragColor;\n"
                              "void main() {\n"
                              "    fragColor = vColor;\n"
                              "}";

// 使用绘制两个三角形组成一个矩形的形式(三角形带)
// 第一第二第三个点组成一个三角形，第二第三第四个点组成一个三角形
const static GLfloat VERTICES[] = {
        0.5f,-0.5f, // 右下
        0.5f,0.5f, // 右上
        -0.5f,-0.5f, // 左下
        -0.5f,0.5f, // 左上
};

const static GLfloat VERTICES_AND_COLOR[] = {
        0.5f,-0.5f, // 右下
        // 颜色
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        0.5f,0.5f, // 右上
        // 颜色
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        -0.5f,-0.5f, // 左下
        // 颜色
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        -0.5f,0.5f, // 左上
        // 颜色
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
};

// rgba
//const static GLfloat COLOR_ICES[] = {
//        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f
//};

// vbo颜色
const static GLfloat COLOR_ICES[] = {
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
        0.0f,0.0f,1.0f,1.0f,
};

VBOVAOOpengl::VBOVAOOpengl() {
    initGlProgram(ver,fragment);
    positionHandle = glGetAttribLocation(program,"aPosition");
    colorHandle = glGetAttribLocation(program,"aColor");
    // vbo
    glGenBuffers(3,vbo);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(VERTICES),VERTICES,GL_STATIC_DRAW);

    // 颜色
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(COLOR_ICES),COLOR_ICES,GL_STATIC_DRAW);

    // 顶点与颜色混合，先顶点坐标，再颜色坐标
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[2]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER,sizeof(VERTICES_AND_COLOR),VERTICES_AND_COLOR
                 ,GL_STATIC_DRAW);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);

    // VAO
    glGenVertexArrays(1,&vao);
    glBindVertexArray(vao);
    // VAO与VBO关联
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[2]);
    // stride 步长 每个顶点坐标之间相隔6个数据点，数据类型是float
    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,6 * sizeof(float ),(void *)0);
    // 启用顶点数据
    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
    // stride 步长 每个颜色坐标之间相隔6个数据点，数据类型是float，颜色坐标索引从2开始
    glVertexAttribPointer(colorHandle,4,GL_FLOAT,GL_FALSE,6 * sizeof(float ) ,(void *)(2 * sizeof(float)) );
    // 启用颜色顶点数据
    glEnableVertexAttribArray(colorHandle);
    // 解除绑定
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);

    glBindVertexArray(0);

    LOGD("program:%d",program);
    LOGD("positionHandle:%d",positionHandle);
    LOGD("colorHandle:%d",colorHandle);
}

void VBOVAOOpengl::onDraw() {
    // 清屏
    glClearColor(0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    glUseProgram(program);

    // 普通方式绘制
//    /**
//     * size 几个数字表示一个点，显示是两个数字表示一个点
//     * normalized 是否需要归一化，不用，这里已经归一化了
//     * stride 步长，连续顶点之间的间隔，如果顶点直接是连续的，也可填0
//     */
//    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,VERTICES);
//    // 启用顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
//
//    // 这个不需要glEnableVertexAttribArray
//    glVertexAttrib4fv(colorHandle, COLOR_ICES);

// ############################################# 分割线 #################################
     // 使用VBO的方式绘制，顶点与颜色分开
    //    /**
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0]);
//    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,(void *)0);
//    // 启用顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
//
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1]);
//    glVertexAttribPointer(colorHandle,4,GL_FLOAT,GL_FALSE,0,(void *)0);
//    // 启用颜色顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(colorHandle);
//    // 解除绑定
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);

// ############################################# 分割线 #################################
    // VBO绘制 顶点坐标与颜色坐标一起
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo[2]);
//    // stride 步长 每个顶点坐标之间相隔6个数据点，数据类型是float
//    glVertexAttribPointer(positionHandle,2,GL_FLOAT,GL_FALSE,6 * sizeof(float ),(void *)0);
//    // 启用顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(positionHandle);
//    // stride 步长 每个颜色坐标之间相隔6个数据点，数据类型是float，颜色坐标索引从2开始
//    glVertexAttribPointer(colorHandle,4,GL_FLOAT,GL_FALSE,6 * sizeof(float ) ,(void *)(2 * sizeof(float)) );
//    // 启用颜色顶点数据
//    glEnableVertexAttribArray(colorHandle);
//    // 解除绑定
//    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,0);

// ############################################# 分割线 #################################

    // VBO与VAO配合绘制
    // 使用vao
    glBindVertexArray(vao);
    // 4个顶点绘制两个三角形组成矩形
    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP,0,4);
    glUseProgram(0);
    // vao解除绑定
    glBindVertexArray(vao);

    // 禁用顶点
    glDisableVertexAttribArray(positionHandle);
    if(nullptr != eglHelper){
        eglHelper->swapBuffers();
    }
}

VBOVAOOpengl::~VBOVAOOpengl() noexcept {
    glDeleteBuffers(NUM_VBO,vbo);
    glDeleteVertexArrays(1,&vao);
}

往期笔记

Opengl ES之EGL环境搭建
Opengl ES之着色器
Opengl ES之三角形绘制
Opengl ES之四边形绘制
Opengl ES之纹理贴图

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