在渲染顶点这一话题上我们还有最后一个需要讨论的东西——索引缓冲对象(Element Buffer Object,EBO,也叫Index Buffer Object,IBO)。要解释索引缓冲对象的工作方式最好还是举个例子:假设我们不再绘制一个三角形而是绘制一个矩形。我们可以绘制两个三角形来组成一个矩形(OpenGL主要处理三角形)。这会生成下面的顶点的集合:
float vertices[] = {
// 第一个三角形
0.5f, 0.5f, 0.0f, // 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, // 左上角
// 第二个三角形
0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下角
-0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f // 左上角
};
可以看到,有几个顶点叠加了。我们指定了右下角和左上角两次!一个矩形只有4个而不是6个顶点,这样就产生50%的额外开销。当我们有包括上千个三角形的模型之后这个问题会更糟糕,这会产生一大堆浪费。更好的解决方案是只储存不同的顶点,并设定绘制这些顶点的顺序。这样子我们只要储存4个顶点就能绘制矩形了,之后只要指定绘制的顺序就行了。如果OpenGL提供这个功能就好了,对吧?
很幸运,索引缓冲对象的工作方式正是这样的。和顶点缓冲对象一样,EBO也是一个缓冲,它专门储存索引,OpenGL调用这些顶点的索引来决定该绘制哪个顶点。所谓的索引绘制(Indexed Drawing)正是我们问题的解决方案。首先,我们先要定义(不重复的)顶点,和绘制出矩形所需的索引:
float vertices[] = {
0.5f, 0.5f, 0.0f, // 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下角
-0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f // 左上角
};
unsigned int indices[] = { // 注意索引从0开始!
0, 1, 3, // 第一个三角形
1, 2, 3 // 第二个三角形
};
你可以看到,当时用索引的时候,我们只定义了4个顶点,而不是6个。下一步我们需要创建索引缓冲对象:
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,我们传递了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,来指明我们从索引缓冲渲染。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);
glDrawArrays
的一样。GL_UNSIGNED_INT
。glDrawElements
函数从当前绑定到GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
目标的EBO中获取索引。这意味着我们必须在每次要用索引渲染一个物体时绑定相应的EBO,这还是有点麻烦。不过顶点数组对象同样可以保存索引缓冲对象的绑定状态。VAO绑定时正在绑定的索引缓冲对象会被保存为VAO的元素缓冲对象。绑定VAO的同时也会自动绑定EBO。
当目标是
GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
的时候,VAO会储存glBindBuffer
的函数调用。这也意味着它也会储存解绑调用,所以确保你没有在解绑VAO之前解绑索引数组缓冲,否则它就没有这个EBO配置了。
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);
运行程序会获得下面这样的图片的结果。左侧图片看应该起来很熟悉,而右侧的则是使用线框模式(Wireframe Mode)绘制的。线框矩形可以显示出矩形的确是由两个三角形组成的。
线框模式(Wireframe Mode)
要想用线框模式绘制你的三角形,你可以通过
glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_LINE)
函数配置OpenGL如何绘制图元。第一个参数表示我们打算将其应用到所有的三角形的正面和背面,第二个参数告诉我们用线来绘制。之后的绘制调用会一直以线框模式绘制三角形,直到我们用glPolygonMode(GL_FRONT_AND_BACK, GL_FILL)
将其设置回默认模式。
#include "zjjopenglwidget.h"
// 创建VBO和VAO对象,并赋予ID
GLuint VBO, VAO, EBO;
//以数组的形式传递3个3D坐标作为图形 pipeline的输入
//OpenGL仅当3D坐标在3个轴(x、y和z)上都为-1.0到1.0的
//范围内时才处理它。所有在所谓的标准化设备坐标(Normalized Device Coordinates)
//范围内的坐标才会最终呈现在屏幕上(在这个范围以外的坐标都不会显示)。
//GLfloat vertices[] = {
// -0.5f, -0.5f, 0.0f,
// 0.5f, -0.5f, 0.0f,
// 0.0f, 0.5f, 0.0f
//};
float vertices[] = {
0.5f, 0.5f, 0.0f, // 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, // 右下角
-0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f // 左上角
};
unsigned int indices[] = { // 注意索引从0开始!
0, 1, 3, // 第一个三角形
1, 2, 3 // 第二个三角形
};
//着色器程序
unsigned int shaderProgram;
//顶点着色器
unsigned int vertexShader;
//片段着色器
unsigned int fragmentShader;
const char *vertexShaderSource = "#version 330 core\n"
"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
"void main()\n"
"{\n"
" gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n"
"}\0";
const char *fragmentShaderSource = "#version 330 core\n"
"out vec4 FragColor;\n"
"void main()\n"
"{\n"
" FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);\n"
"}\0";
//由于OpenGL是在3D空间中工作的,而我们渲染的是一个2D三角形,我们将它顶点的z坐标设置为0.0。
//这样子的话三角形每一点的深度(Depth,译注2)都是一样的,从而使它看上去像是2D的。
ZjjOpenGLWidget::ZjjOpenGLWidget(QWidget *parent) : QOpenGLWidget(parent)
{
}
void ZjjOpenGLWidget::initializeGL()
{
initializeOpenGLFunctions();
// 创建一个VertexArrays并且给VAO一个编号(改变VAO的值)
glGenVertexArrays(1, &VAO);
// 创建一个Buffers并且给VBO一个编号(改变VBO的值)
glGenBuffers(1, &VBO);
// 创建一个索引缓冲对象并且给EBO一个编号
glGenBuffers(1, &EBO);
// 绑定VBO和VAO对象
glBindVertexArray(VAO);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);
// 为当前绑定到target的缓冲区对象创建一个新的数据存储
// 如果data不是null,则使用来自此指针的数据初始化数据存储
// `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:顶点缓冲对象当前绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上。
// 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。
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
// 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);
// 告知显卡如何解析缓冲里的属性值
// void glVertexAttribPointer(GLuint index, GLint size, GLenum type,
// GLboolean normalized, GLsizei stride, const GLvoid* pointer);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3*sizeof(float), (void*)0);
// 开启VAO管理的第一个属性值
glEnableVertexAttribArray(0);
// 将上下文的GL_ARRAY_BUFFER对象设回默认的ID-0,相当于与所创建的VAO和VBO解绑
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindVertexArray(0);
// 释放GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
// 一旦我们重新绑定这个VAO和VBO到GL_ARRAY_BUFFER位置,这些选项就会重新生效,不需要重新设置
// 我们首先要做的是创建一个着色器对象,注意还是用ID来引用的。所以我们储存这个顶点着色器为unsigned int,
// 然后用glCreateShader创建这个着色器
vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
// 把这个着色器源码附加到着色器对象上
glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
// 编译着色器代码
glCompileShader(vertexShader);
// 检测在调用glCompileShader后编译是否成功了
int success;
char infoLog[512];
glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if(!success)
{
glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
}
// 片段着色器配置过程,与定点着色器类似
fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
glCompileShader(fragmentShader);
glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if(!success)
{
glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
}
// 创建一个着色器程序对象,并返回新创建程序对象的ID引用
shaderProgram = glCreateProgram();
// 把之前编译的着色器附加到程序对象上,然后用glLinkProgram链接它们
glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
glLinkProgram(shaderProgram);
// 就像着色器的编译一样,我们也可以检测链接着色器程序是否失败,并获取相应的日志。
// 与上面不同,我们不会调用glGetShaderiv和glGetShaderInfoLog,现在我们使用:
glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
if(!success) {
glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::COMPILATION_FAILED\n" << infoLog << std::endl;
}
// 对了,在把着色器对象链接到程序对象以后,记得删除着色器对象,我们不再需要它们了:
glDeleteShader(vertexShader);
glDeleteShader(fragmentShader);
}
void ZjjOpenGLWidget::resizeGL(int w, int h)
{
Q_UNUSED(w);
Q_UNUSED(h);
}
void ZjjOpenGLWidget::paintGL()
{
glClearColor(0.2f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
// 调用glUseProgram函数,用刚创建的程序对象作为它的参数,以激活这个程序对象
glUseProgram(shaderProgram);
// 绑定VAO的同时,实际上也绑定了EBO,可以看作EBO被包含在VAO中
glBindVertexArray(VAO);
// 为了让OpenGL知道我们的坐标和颜色值构成的到底是什么,OpenGL需要你去指定这些数据所表示的
// 渲染类型。我们是希望把这些数据渲染成一系列的点?一系列的三角形?还是仅仅是一个长长的线?
// 做出的这些提示叫做图元(Primitive),任何一个绘制指令的调用都将把图元传递给OpenGL。
// 这是其中的几个:GL_POINTS、GL_TRIANGLES、GL_LINE_STRIP。
// glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_INT, 0);
glBindVertexArray(0);
}