【OpenGL编程】Uniform缓冲对象（Uniform Buffer Object）

作者：憨豆酒（YinDou），联系我[email protected]，熟悉图形学，图像处理领域，本章的源代码可在此仓库中找到： https://github.com/douysu/person-summary 如果大家发现错误以及不合理之处，还希望多多指出。

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Uniform缓冲对象（Uniform Buffer Object）

写在前面：最近在使用GLSL编程，还未掌握Uniform缓冲对象的相关知识，感觉处处碰壁，在这里对Uniform缓冲对象相关知识进行总结，同时本节案例是基于OpenGL ES 3.0实现的，

本篇内容参考来自：

• LearnOpenGL CN——高级GLSL一章
  https://learnopengl-cn.github.io/04%20Advanced%20OpenGL/08%20Advanced%20GLSL/#_3
• The fool的博客 http://blog.csdn.net/wangdingqiaoit/article/details/52717963
  感谢The fool的文章，他的文章中的部分内容非常有助于理解Uniform缓冲对象，我在此将两篇文章的重要内容进行了合并。

什么是Unform缓冲对象？

在没有掌握Uniform缓冲对象时，已经可以开发出很多高级特效了，但同时也遇到了一些繁琐的事情。比如说，当在一个项目（Project）中出现多个着色器，每一个着色器中大部分的Uniform变量都是相同的，例如：摄像机位置、光源位置此类所有物体都共同的属性等，每一次都需要我们重复的去设置它们，这便是一件繁琐的事情。在大型游戏中，多则上百个着色器，以前者的方式是很容易带来问题的。
OpenGL给我们提供了Uniform缓冲对象，该对象允许我们在多个着色器中定义全局的Uniform变量，在多个着色器中使用摄像机位置、光源位置时，不必多次重复设置，只需设置一次即可。这样做并不代表我们可以不用在着色器中定义Uniform变量了，这样只不过减少了宿主语言（C++、Java）的工作量。

什么是Unform块布局？

Uniform块的内容是存储在缓冲对象中的，它实际上只是一块预留的内存，这块内存并不知道它具体保存的是什么类型的数据，我们还需要告诉OpenGL内存中哪一部分对应哪一个Uniform变量。
假设着色器有以下的Uniform块:

	layout (std140) uniform ExampleBlock{
    	float value;
    	vec3  vector;
    	mat4  matrix;
    	float values[3];
    	bool  boolean;
    	int   integer;
	};

这里的std140就代表着一种Uniform块的布局，Uniform块的布局常见的有如下三种。

• shared（共享布局）：默认情况下，GLSL都会使用这个布局，共享一但硬件定义了偏移量，它们在整个程序中都是共享的，使用shared布局时，允许GLSL对Uniform块中的变量的存储位置进行变动，共享布局可以节省很多空间的优化。
• std140布局：std140布局中确定每个变量的偏移都是基于一系列的规则而决定的，这显示的声明了每个变量类型的内存布局，需要我们手动去计算每个变量的偏移量。
• packed（紧凑布局）：是不能保证这个布局在每个程序中保持不变的（即非共享），因为它允许编译器去将uniform变量从Uniform块中优化掉，这在每个着色器中都可能是不同的，所以这种布局是无法共享的，不满足Uniform Buffer的使用需求。
  在使用Uniform缓冲时我们需要知道每个变量的字节和偏移量，每一个变量的大小都是确定的，我们在学习任何一门语言的初始都会学习变量的大小（字节），例如int类型的变量所占字节为4 Byte。但是Uniform块中变量的间距是无法确定的，这就允许硬件能够将变量放置在合适的位置，例如，一些硬件可能会将一个向量a放在float b之后，其他的硬件可能会将向量a放在float b之前。这个特性虽然合理的安排了变量的存储，但是却给我们使用Uniform缓冲带来了麻烦，因为有了这个特性，我们就无法知道整个Uniform块所占的字节，在初始分配Uniform缓冲时也无法合理的进行分配。
  为了满足我们Uniform缓冲的需要，我们使用的Uniform块通常都为std140布局，这就需要我们手动去计算每个变量的偏移量，这里便涉及到字节对齐的概念。

字节对齐的概念：

字节对齐最经典的案例就是C/C++中结构体的使用。例如。

struct MyByteStruct{
	char c;
	float a;
	int b;
};
/*按照正常理解为 4+4+1=9*/
/*此处使用了字节对齐，使机器访问更快,真是为4+4+4=12 */

按照我们通常的思维，此结构体所占的字节的 4（float）+4（int）+1（char）=9，但是事实并非如此，真实的所占的字节为4（float）+4（int）+4（char）=12。为什么会这样？
该结构体的内存布局如下所示：

字节对齐重要的一个原因就是为了使机器访问的更加快速，例如在32字长的地址的机器中，每次读取4个字节数据，所以将字节对齐到上述地址 0x0000,0x0004和0x0008, 0x000C将使读取更加迅速。
如果没有第一个padding，那么上面结构体中的int i将跨越两个字长(0x0000和0x0004)，需要两次读取操作，影响效率。

std140布局的计算：

上文介绍std140布局时已经提到每个变量的偏移都是基于一系列的规则而决定的，OpenGL中的Uniform缓冲的规范为，GLSL中的每个变量，比如说int、float和bool，都被定义为4字节量。每4个字节将会用一个N来表示。：

以上文的结构体为例，对当前的对齐偏移量进行计算得到如图的结果，第一幅图为LearnOpenGL中的相关教程，第二幅图为我自己绘制的结构图，都可进行参考。

Uniform缓冲的对应关系。

首先如何才能让OpenGL ES知道哪个Uniform缓冲对应的是哪个Uniform块呢？这里使用的便是绑定点的知识(Binding)，可以参考LearnOpenGL中的教程，如下。

可以看出，每一个Uniform缓冲对象都是绑定到对应的绑定点的，不同的着色器在使用对应的Uniform缓冲时，只需对应到相应Uniform缓冲的绑定点即可。

OpenGL ES的Uniform缓冲的案例

我完成了一个非常简单的基于OpenGL ES 3.0的一个Uniform缓冲的案例，案例中有两套着色器，一套用于绘制红色三角形，一套用于绘制绿色三角形 。

首先给出案例中绘制红色三角形顶点着色器的代码。

#version 300 es
uniform mat4 Modelview;//总变换矩阵
in vec3 Position;//顶点位置
out vec4 vColor1;//输出到片元着色器的颜色
layout (std140) uniform myColor{//输入的Uniform缓冲
    vec4 color1;
    vec4 color2;
};
void main(){
    gl_Position = Modelview * vec4(Position,1);//根据总变换矩阵计算此次绘制此顶点位置
    vColor1=color1;
}

着色器中的两个颜色变量color1和color2均来自于Uniform缓冲，在母体语言（C++）中我只传入了一次颜色值，同时可以在两套着色器中使用，这完全符合Uniform缓冲的使用规则。接着详细介绍如何分配一个Uniform缓冲。
首先通过以下代码分配一个内容字节大小为32 byte的Uniform缓冲，并将缓冲绑定到绑定点0。

void MyGLThread::iniUniformBuffer(){
    glGenBuffers(1, &uboExampleBlock);
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock);
    glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 32, NULL, GL_STATIC_DRAW); // 分配32字节的内存
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);
}

然后通过以下代码得到着色器中得到Uniform缓冲的引用，只需要获取一次即可，不需要再另一套着色器中继续获取。

uniformBufferindex=glGetUniformBlockIndex(mProgram, "myColor");//得到Uniform缓冲的引用

最后通过以下代码将数据送入Uniform缓冲

glUniformBlockBinding(mProgram, uniformBufferindex, 0);//设置绑定点为0
    glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, MyGLThread::uboExampleBlock);//绑定Uniform缓冲对象到对应的绑定点上
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, MyGLThread::uboExampleBlock);//绑定Uniform缓冲
    float colorArray[8]={
            1.0f,0.0f,0.0f,1.0f,
            0.0f,1.0f,0.0f,1.0f
    };
    glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, 32, &colorArray);
    glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

最后：

我贴出来的只是部分代码，建议各位朋友们自习研读LearnOpenGL章节中的代码，当然阅读我的案例中的也是可以的。关于Uniform缓冲的内容还是比较重要的。如果有什么错误和不合理的地方还希望大家多多指出，我会虚心接受每一个建议。