openGL常用对象的创建及使用

一、GPU英文全称Graphic Processing Unit，中文翻译为“图形处理器”。GPU（显卡核心芯片）是显示卡的“大脑”，它决定了该显卡的档次和大部分性能

二、使用背景

随着OpenGL状态和固定管线模式的移除，我们不在用任何glEnable函数调用，而且也不会有glVertex、glColor等函数调用。这就意味着我们需要一种新的方式来将数据传输到图形卡以渲染图形。

三、顶点数组对象(Vertex Array Object，VAO)

1、背景

每当我们绘制一个几何体时，我们需要重复同样的工作（首先绑定缓冲区、然后设置顶点属性）。当需要绘制的物体很多时，这个过程就显得有些耗时。那么我们有没有一种方式来简化这一过程呢？这就是VAO做的事情，它将所有顶点绘制过程中的这些设置和绑定过程集中存储在一起，当我们需要时，只需要使用相应的VAO即可。
VAO的这种方式有点像一个中介，把所有繁琐的绑定和顶点设置工作都集中起来处理，我们需要绘制时，直接找这个中介就好了。

2.介绍

首先，VAO不是Buffer-Object，所以不用作存储数据；其次，它针对“顶点”而言，也就是说它跟“顶点的绘制”息息相关 和 顶点数组没有任何关系，VAO可以理解为一个状态容器，记录VBO的状态。通过VAO就能快速访问到VBO的状态及VBO的数据。VAO记录的是一次绘制中所需要的信息，这包括“数据在哪里glBindBuffer”、“数据的格式是怎么样的glVertexAttribPointer”、shader-attribute的location的启用glEnableVertexAttribArray。

VAO是一个保存了所有顶点数据属性的状态结合，它存储了顶点数据的格式以及顶点数据所需的VBO对象的引用。VAO本身并没有存储顶点的相关属性数据，这些信息是存储在VBO中的，VAO相当于是对很多个VBO的引用，把一些VBO组合在一起作为一个对象统一管理。

注意：
1>OpenGL的核心模式要求我们使用VAO，如果我们绑定VAO失败，核心模式下的OpenGL会拒绝绘制任何东西；
2>考虑到性能的原因，顶点着色器的属性（Attribute)变量默认是关闭的，所以顶点的属性数据在顶点着色器中是不可见的，即使数据已经上传到GPU中。当调用glEnableVertexAttribArray后，顶点着色器中才可以访问顶点的属性数据。调用glVertexAttribPointer只是建立CPU和GPU之间的逻辑连接，把CPU中的数据上传至GPU。但是，顶点着色器能否读取、使用数据，由是否调用glEnableVertexAttribArray(允许顶点着色器读取GPU（服务器端）数据)决定。

使用VAO后GPU在绘制时就可以直接找到其记录的VBO的状态及对应的VBO的数据能实现快速绘制并且避免了数据的频繁操作从而提高性能。

3、VAO对象中存储的内容包括

1. VAO开启或者关闭的状态（glEnableVertexAttribArray和glDisableVertexAttribArray)
2. 使用glVertexAttribPointer对顶点属性进行的设置
3. 存储顶点数据的VBO对象

4、VAO的使用流程

1>创建VAO:glGenVertexArrays

2>绑定并设置VAO

在创建VAO之后，需要使用glBindVertexArray设置它为当前操作的VAO,之后我们关于顶点数据的设置（包括数据使用的VBO对象，顶点的属性设置的信息都会被存储在VAO之中）。可以说VBO是对顶点属性信息的绑定，VAO是对很多个VBO的绑定。

在设置完成之后一般会解绑VAO，然后在需要绘制的时候启用相应的VAO对象。

产生VAO

　↓

绑定VAO

   ↓

绑定VBO对应的VBO handle(VBO 数据句柄)(Bind Vertex Buffer Object)

   ↓

启用shader中对应的属性信息，glEnableVertexAttribArray（）以顶点属性位置值作为参数启用顶点属性，顶点属性默认是禁用的。因此需要打开这些(CPU到GPU)通信端口。

   ↓

指定了渲染时的顶点属性数组的数据格式和位置使用glVertexAttribPointer函数指定

   ↓

绑定下一个VBO

   ↓

VAO保存结束

具体代码如下：

//创建VAO
GLuint VAO;
glGenVertexArrays(1, &VAO);
//设置当前VAO，之后所有操作(注意：这些操作必须是上文VAO中包含的内容所注明的调用，其他非VAO中存储的内容即使调用了也不会影响VAO）存储在该VAO中
glBindVertexArray(VAO);
   glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO); //设置了VBO
   glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);//设置VBO中的数据
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0); //设置顶点属性（索引为0的属性，与shader中的内容有交互）
    glEnableVertexAttribArray(0); //设置开启顶点属性（索引为0的属性,与shader中的内容有交互）
glBindVertexArray(0); //解绑VAO（解绑主要是为了不影响后续VAO的设置，有点类似于C++中指针delete后置空，是个好习惯）

通过上面的代码就完成了对VAO的设置，当我们需要绘制的时候，使用的代码类似于：

glUseProgram(shaderProgram);
glBindVertexArray(VAO); //绑定我们需要的VAO，会导致上面所有VAO保存的设置自动设置完成
someOpenGLFunctionThatDrawsOurTriangle();   
glBindVertexArray(0);   //解绑VAO

四、VBO（Vertex Buffer Object）顶点缓冲区对象

1.介绍

是显卡存储空间中开辟的一块内存缓存区，用于存储顶点的各类属性信息，如顶点坐标，顶点法向量，顶点颜色数据等。在渲染时，可以直接从VBO中取出顶点的各类属性数据，由于vbo在显存而不是在内存中，不需要从CPU传输数据，处理效率更高。

VBO将顶点信息放到GPU中，GPU在渲染时去缓存中取数据，二者中间的桥梁是GL-Context。GL-Context整个程序一般只有一个，所以如果一个渲染流程里有两份不同的绘制代码，GL-context就负责在他们之间进行切换。这也是为什么要在渲染过程中，在每份绘制代码之中会有glBindbuffer、glEnableVertexAttribArray、glVertexAttribPointer。优化的方法就是把这些都放到初始化时候完成。VAO记录该次绘制所需要的所有VBO所需信息，把它保存到VAO特定位置，绘制的时候直接在这个位置取信息绘制。

2、VBO的使用流程

创建VBO

创建VBO需要3个步骤：

1、使用glGenBuffers()生成新缓存对象并且返回缓存对象的标示符。它需要2个参数：第一个为需要创建的缓存数量，第二个为用于存储单一ID或多个ID的GLuint变量或数组的地址。

1 void glGenBuffers(GLsizei n, GLuint* buffers)

2、使用glBindBuffer()绑定缓存对象。当我们创建好缓冲区对象之后，在使用之前需要先将该缓冲区对象设置为当前缓冲区对象（OpenGL是一个状态机，使用它的方式都是先切换在使用）glBindBuffer()有2个参数：target与buffer。

void glBindBuffer(GLenum target, GLuint buffer)

例如：

glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,vbo);//将VBO对象绑定到顶点缓冲。从此起，任何作用于顶点缓冲的操作，都会配置当前绑定的缓冲（VBO）。相当于状态设置。

Target告诉VBO该缓存对象将保存顶点数组数据还是索引数组数据：GL_ARRAY_BUFFER或GL_ELEMENT_ARRAY。任何顶点属性，如顶点坐标、纹理坐标、法线与颜色分量数组都使用GL_ARRAY_BUFFER。用于glDraw[Range]Elements()的索引数据需要使用GL_ELEMENT_ARRAY绑定。

3、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

1 void glBufferData(GLenum target，GLsizeiptr size, constGLvoid*  data, GLenum usage);

第一个参数是目标缓冲的类型;

第二个参数指定传输数据的大小(以字节为单位);

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。

三角形的位置数据不会改变，每次渲染调用时都保持原样，所以它的使用类型最好是GL_STATIC_DRAW。

4、顶点数据传入GPU之后，还需要通知OpenGL如何解释这些顶点数据，这个工作由函数glVertexAttribPointer完成：

glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
第一个参数指定顶点属性位置，与顶点着色器中layout(location=0)对应。
第二个参数指定顶点属性大小。
第三个参数指定数据类型。
第四个参数定义是否希望数据被标准化。
第五个参数是步长（Stride），指定在连续的顶点属性之间的间隔。
第六个参数表示我们的位置数据在缓冲区起始位置的偏移量。

顶点属性glVertexAttribPointer默认是关闭的，使用时要以顶点属性位置值为参数调用glEnableVertexAttribArray开启。如glEnableVertexAttribArray（0）；

注：

glEnableVertexAttribArray应该在glVertexAttribPointer之前还是之后调用？答案是都可以，只要在绘图调用（glDraw*系列函数）前调用即可

使用VAO,VBO绘制矩形：

//使用VAO VBO绘制矩形
#include <GL/glew.h>  
#include <GL/freeglut.h>  
 
void userInit();  //自定义初始化
void reshape(int w, int h);   //重绘
void display(void);
void keyboardAction(unsigned char key, int x, int y);   //键盘退出事件
 
GLuint vboId;//vertex buffer object句柄    
GLuint vaoId;//vertext array object句柄    
GLuint programId;//shader program 句柄    
 
int main(int argc, char **argv)
{
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DOUBLE);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutInitWindowSize(512, 512);
    glutCreateWindow("Rectangle demo");
 
    //使用glew，需要执行glewInit，不然运行过程会报错
    //glewInit要放在glut完成了基本的初始化之后执行
    glewInit();
 
    //自定义初始化，生成VAO，VBO对象
    userInit();
 
    //重绘函数
    glutReshapeFunc(reshape);
 
    glutDisplayFunc(display);
 
    //注册键盘按键退出事件
    glutKeyboardFunc(keyboardAction);
 
    glutMainLoop();
    return 0;
}
 
//自定义初始化函数    
void userInit()
{
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
    //创建顶点数据    
    const GLfloat vertices[] = {
        -0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,
        0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,
        0.5f,0.5f,0.0f,1.0f,
        -0.5f,0.5f,0.0f,1.0f,
    };
 
    //创建VAO对象
    glGenVertexArrays(1, &vaoId);
    glBindVertexArray(vaoId);
 
    //创建VBO对象    
    glGenBuffers(1, &vboId);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);
    //传入VBO数据
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
    //解除VBO绑定
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
}
 
//调整窗口大小回调函数    
void reshape(int w, int h)
{
    glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);
}
 
//绘制回调函数    
void display(void)
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
 
    //绑定VBO
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);
    glEnableVertexAttribArray(0);
 
    //解释顶点数据方式
    glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
 
    //绘制模型
    glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, 0, 4);
 
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    glDisableVertexAttribArray(0);
 
    glutSwapBuffers();
}
 
//键盘按键回调函数    
void keyboardAction(unsigned char key, int x, int y)
{
    switch (key)
    {
    case 033:  // Escape key    
        exit(EXIT_SUCCESS);
        break;
    }
}

运行结果：

五、EBO/IBO（索引缓冲对象）

• 1.介绍

  和顶点缓冲对象一样，EBO也是一个缓冲，它专门储存索引（相当于顶点数组），OpenGL调用这些顶点的索引来决定该绘制哪个顶点。

• 为了解决同一个顶点多次重复调用的问题，可以减少内存空间浪费，提高执行效率。当需要使用重复的顶点时，通过顶点的位置索引来调用顶点，而不是对重复的顶点信息重复记录，重复调用。

  2.使用流程

  除顶点数组外再定义一个索引数组，存放需要绘制的顶点的下标

  float vertices[] = {　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　unsigned int indices[] = { // 注意索引从0开始!

  　　0.5f, 0.5f, 0.0f, // 右上角　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   0, 1, 3, // 第一个三角形

  　　0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下角　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     1, 2, 3 // 第二个三角形

  　　-0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 };

  　　-0.5f, 0.5f, 0.0f // 左上角

  };

  　　　　↓

  创建索引缓冲对象

  unsigned int EBO;

  glGenBuffers(1, &EBO);

  　　　　↓

  与VBO类似，我们先绑定EBO然后用glBufferData把索引复制到缓冲里。同样，和VBO类似，我们会把这些函数调用放在绑定和解绑函数调用之间，只不过这次我们把缓冲的类型定义为GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。

  glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);

  glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

  　　　　↓

   要注意的是，传递了GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER当作缓冲目标。最后一件要做的事是用glDrawElements来替换glDrawArrays函数，来指明从索引缓冲渲染。使用glDrawElements时，我们会使用当前绑定的索引缓冲对象中的索引进行绘制

  glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);

  glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0)

• • 第一个参数指定了要绘制的模式；
  • 第二个参数指定要绘制的顶点个数；
  • 第三个参数是索引的数据类型；
  • 第四个参数是可选的EBO中偏移量设定。

• glDrawElements函数从当前绑定到GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER目标的EBO中获取索引。这意味着必须在每次要用索引渲染一个物体时就要绑定相应的EBO，过程很繁琐。不过VAO同样可以保存EBO的绑定状态。VAO绑定时，正在绑定的EBO会被保存为VAO的元素缓冲对象。绑定VAO的同时也会自动绑定EBO。

• 3.示例

  最后的初始化和绘制代码现在看起来像这样:

   // ..:: 初始化代码 :: .. //

  1.绑定顶点数组对象

  glBindVertexArray(VAO);

  // 2. 把我们的顶点数组复制到一个顶点缓冲中，供OpenGL使用

  glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);

  glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

  // 3. 复制我们的索引数组到一个索引缓冲中，供OpenGL使用

  glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);

  glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

  // 4. 设定顶点属性指针

  glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);

  glEnableVertexAttribArray(0);

  [...]

  // ..:: 绘制代码（渲染循环中） :: ..

  glUseProgram(shaderProgram);

  glBindVertexArray(VAO);

  glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0)；

  glBindVertexArray(0);　　//通常此行代码不需要放在渲染循环中，因为没必要每次循环都绑定再解绑。此处只为规范化，所以加上此行代码使用EBO绘制两个三角形，组成同样的矩形图形：

使用EBO绘制两个三角形，组成同样的矩形图形：

//使用EBO绘制矩形(两个三角形)
#include <GL/glew.h>  
#include <GL/freeglut.h>  
 
void userInit();  //自定义初始化
void reshape(int w, int h);   //重绘
void display(void);
void keyboardAction(unsigned char key, int x, int y);   //键盘退出事件
 
GLuint eboId;//element buffer object句柄    
GLuint vboId;//vertext buffer object句柄    
GLuint vaoId;//vertext array object句柄    
 
int main(int argc, char **argv)
{
    glutInit(&argc, argv);
    glutInitDisplayMode(GLUT_RGBA | GLUT_DOUBLE);
    glutInitWindowPosition(100, 100);
    glutInitWindowSize(512, 512);
    glutCreateWindow("Rectangle demo");
 
    //使用glew，需要执行glewInit，不然运行过程会报错
    //glewInit要放在glut完成了基本的初始化之后执行
    glewInit();
 
    //自定义初始化，生成VAO，VBO,EBO
    userInit();
 
    //重绘函数
    glutReshapeFunc(reshape);
    glutDisplayFunc(display);
    //注册键盘按键退出事件
    glutKeyboardFunc(keyboardAction);
    glutMainLoop();
    return 0;
}
 
//自定义初始化函数    
void userInit()
{
    glClearColor(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
 
    //创建顶点数据    
    const GLfloat vertices[] = {
        -0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,
        0.5f,-0.5f,0.0f,1.0f,
        0.5f,0.5f,0.0f,1.0f,
        -0.5f,0.5f,0.0f,1.0f,
    };
    // 索引数据
    GLshort indices[] = {
        0, 1, 3,  // 第一个三角形
        1, 2, 3   // 第二个三角形
    };
 
    //创建VAO对象
    glGenVertexArrays(1, &vaoId);
    glBindVertexArray(vaoId);
 
    //创建VBO对象，把顶点数组复制到一个顶点缓冲中，供OpenGL使用
    glGenBuffers(1, &vboId);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
 
    //创建EBO对象    
    glGenBuffers(1, &eboId);
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, eboId);
    //传入EBO数据
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);
 
    //解释顶点数据方式
    glVertexAttribPointer(0, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
    glEnableVertexAttribArray(0);
 
    //解绑VAO
    glBindVertexArray(0);
    //解绑EBO
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
    //解绑VBO
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
}
 
//调整窗口大小回调函数    
void reshape(int w, int h)
{
    glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);
}
 
//绘制回调函数    
void display(void)
{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    //绑定VAO
    glBindVertexArray(vaoId);
    //绘制模型
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);
    glutSwapBuffers();
}
 
//键盘按键回调函数    
void keyboardAction(unsigned char key, int x, int y)
{
    switch (key)
    {
    case 033:  // Escape key    
        exit(EXIT_SUCCESS);
        break;
    }
}