Android OpenGL ES 学习(六) – 使用 VBO、VAO 和 EBO/IBO 优化程序
OpenGL 学习教程
Android OpenGL ES 学习(一) – 基本概念
Android OpenGL ES 学习(二) – 图形渲染管线和GLSL
Android OpenGL ES 学习(三) – 绘制平面图形
Android OpenGL ES 学习(四) – 正交投屏
Android OpenGL ES 学习(五) – 渐变色
Android OpenGL ES 学习(六) – 使用 VBO、VAO 和 EBO/IBO 优化程序
Android OpenGL ES 学习(七) – 纹理
代码工程地址： https://github.com/LillteZheng/OpenGLDemo.git
上一篇 Android OpenGL ES 学习(五) – 渐变色 ，我们已经完成了 三角形的渐变色处理。
这一章，我们学习 GL3.0 特有的 OpenGL 缓存对象，VBO ,VAO 和 EBO。这一章稍微有点吃理解，建议多看多想。
一. VBO
顶点缓冲对象：Vertex Buffer Object，VBO
为什么有这个对象？从Android OpenGL ES 学习(二) – 图形渲染管线和GLSL 这章知道，图形渲染管线的顶点数据是在 CPU 上的，我们需要调用 GL 的指令，把这些数据加载到 GPU 中，每绘制一个顶点，都需要加载一次。
当数据小的时候可以忽略不计，但如果有非常大的数据，频繁的在 CPU 和 GPU 之间传递呢，比如渲染图片，视频。
再比如，我们的渐变色三角形，就18个顶点数据，我们会把它作为输入发送给图形渲染管线的顶点着色器，它会在 CPU 上创建内存，并存储这些顶点数据，然后再把它传给 CPU 。
但如果不止 18 点呢，这里有上万点呢，这无疑是很好性能的。所以，GL在 3.0 可以，引入 VBO 这个顶点缓存对象，它会在 GPU 内存(显存) 中存储大量顶点，好处就是我们可以一次性把大批数据发送给显存，而不是每个顶点发送一次；
从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。当数据发送至显卡的内存中后，顶点着色器几乎能立即访问顶点，这是个非常快的过程。
了解原理，看看怎么使用。
1.1 使用 VBO
VBO 的使用非常简单，步骤如下：
- 创建缓存区：glGenBuffers
- 绑定缓存区到上下文： glBindBuffer
- 将顶点数据存在缓冲区： glBindData
- 指定如何解析顶点属性数组：glVertexAttribPointer
- 绘制：glDrawArrays
创建：
//创建缓存区
val vbo = IntArray(1)
GLES30.glGenBuffers(1,vbo,0)
//绑定缓存区到上下文
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
//将顶点数据存在缓冲区
GLES30.glBufferData(
GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
vertexData.capacity() * 4,
vertexData,
GLES30.GL_STATIC_DRAW)
主要看 glBufferData 这个方法，它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，参数如下：
- buffer 对象类型： 有GL_ARRAY_BUFFER，GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER，GL_SHADER_STORAGE_BUFFER 等等。
- 传输数据大小((以字节为单位))： 填写 buffer 大小，由于是 float类型，乘以4
- 实际数据
- 告诉显卡如果管理给定的数据，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。
因为三角形的数据不会改变，每次都一样，所以使用 GL_STATIC_DRAW。
使用数据
//绘制位置，注意这里，我们不再填入 vertexData，而是填入数据偏移地址
GLES30.glVertexAttribPointer(
0, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 0
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)
//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置
vertexData.position(3)
GLES30.glVertexAttribPointer(
1, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)
//解绑数据，因为我们不需要动态更新
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)
注意绘制索引时 glVertexAttribPointer，我们不再填入顶点内存数据，因为我们已经把数据关联到 VBO 上了，所以填入数据偏移地址。
由于位置是首位，所以偏移地址是0，颜色是 3 * 4.
绘制
绘制也比较简单，直接使用 vbo 就可以了。
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP,0,3)
效果如下，熟悉的三角形：
二. VAO
顶点数组对象：Vertex Array Object，VAO
前面说道 VBO 会把顶点数据存到 GPU 显存中，但怎么使用呢？并没有人管理，GL 并不知道怎么去拿这些数据。
比如，我们有这个一个场景，要画两个三角形，构成一个矩形，按照我们上面的做法，也需要两个 VBO 。
顶点数据：
//第一个三角形
private val POINT_COLOR_DATA = floatArrayOf(
// positions // colors
0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 右下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)
//第二个三角形
private val POINT_COLOR_DATA2 = floatArrayOf(
// positions // colors
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右下角
-0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 左下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)
创建两个vbo
val vbo = IntArray(2)
private fun useVaoVbo(){
//绑定第一个 vbo
val vertexData = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_COLOR_DATA)
GLES30.glGenBuffers(2,vbo,0)
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
GLES30.glBufferData(
GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
vertexData.capacity() * 4,
vertexData,
GLES30.GL_STATIC_DRAW)
//绘制位置
GLES30.glVertexAttribPointer(
0, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 0
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)
//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置
vertexData.position(3)
GLES30.glVertexAttribPointer(
1, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)
//解绑数据
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)
//绑定第二个 vbo
val vertexData2 = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_COLOR_DATA2)
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1])
GLES30.glBufferData(
GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
vertexData2.capacity() * 4,
vertexData2,
GLES30.GL_STATIC_DRAW)
//绘制位置
GLES30.glVertexAttribPointer(
0, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 0
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)
//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置
vertexData2.position(3)
GLES30.glVertexAttribPointer(
1, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)
//解绑数据
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)
}
绘制：
//绘制第一个三角形，右上角
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP,0,3)
咦，我们的第一个顶点数据的数据为：
//第一个三角形
private val POINT_COLOR_DATA = floatArrayOf(
// positions // colors
0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 右下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)
应该是下图才对，
怎么变成第二个顶点的三角形形状了呢？
因为前面我们创建了两个 VBO ，使用 glBufferData 后，VBO[0] 就发送给显卡内存了，同理 VBO[1] 也发给过去，但是GPU 在拿这些数据的时候，并不知道这些数据的地址，就拿了最新的，所以才会显示 VBO[1] 的数据。
怎么处理呢？
回到刚才的 VAO ,它会记录 Buffer Object 中缓存顶点属性的缓存对象的配置信息，相当于我们可以通过 VAO 准确告诉 GPU 缓存对象的地址。如下图：
它的创建跟 VBO 差不多，只不过方法不一样：
- 创建 VAO: glGenVertexArrays
- 绑定 VAO : glBindVertexArray ，需要注意，这里绑定了 VAO 后，再绑定 VBO，这样他们才能关联起来。
- 解绑数据：GLES30.glBindVertexArray(0)
这样，我们修改一下上面的代码：
private val vao = IntArray(2)
private fun useVaoVbo(){
val vbo = IntArray(2)
val vertexData = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_COLOR_DATA)
//创建 VAO
GLES30.glGenVertexArrays(2,vao,0)
// //创建 VBO
GLES30.glGenBuffers(2,vbo,0)
//绑定 VAO ,之后再绑定 VBO
GLES30.glBindVertexArray(vao[0])
//绑定VBO
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
GLES30.glBufferData(
GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
vertexData.capacity() * 4,
vertexData,
GLES30.GL_STATIC_DRAW)
//绘制位置
GLES30.glVertexAttribPointer(
0, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 0
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)
//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置
vertexData.position(3)
GLES30.glVertexAttribPointer(
1, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)
//解绑数据
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)
GLES30.glBindVertexArray(0)
//绑定第二个 vbo
val vertexData2 = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_COLOR_DATA2)
// GLES30.glBindVertexArray(vao[1])
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1])
GLES30.glBufferData(
GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
vertexData2.capacity() * 4,
vertexData2,
GLES30.GL_STATIC_DRAW)
//绘制位置
GLES30.glVertexAttribPointer(
0, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 0
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)
//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置
vertexData2.position(3)
GLES30.glVertexAttribPointer(
1, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)
//解绑数据
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)
GLES30.glBindVertexArray(0)
}
绘制，使用 vao
//绘制第一个三角形
GLES30.glBindVertexArray(vao[0])
GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP,0,3)
可以看到，我们第一个三角形可以被正确识别了
三. EBO / IBO
元素缓冲对象：Element Buffer Object，EBO 或 索引缓冲对象 Index Buffer Object，IBO
什么叫元素缓冲对象呢，你可以简单理解成 顶点数据复用，举个栗子：
上面我们要画一个矩形，需要用到两个三角形，顶点如下：
//第一个三角形
private val POINT_COLOR_DATA = floatArrayOf(
// positions // colors
0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 右下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)
//第二个三角形
private val POINT_COLOR_DATA2 = floatArrayOf(
// positions // colors
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右下角
-0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 左下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)
但注意到，对角线的数据，是相同的，有几个顶点叠加了，一个矩形只有4个角而不是6个，这样就产生50%的额外开销。
当有成千上百个三角形时，就会产生一大堆浪费。
一个比较好的解决方案，就是存储不同的顶点，并按照顺序去绘制，这样，我们只需要4个顶点，就能绘制矩形了。而 EBO 就是这样一个缓冲对象，它会存储 GL 用来决定要绘制哪些顶点的索引。
所以，我们先定义不重复的顶点：
private val POINT_RECT_DATA2 = floatArrayOf(
// 矩形4个顶点
0.5f, 0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右上角
0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 右下角
-0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 左下角
-0.5f, 0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)
需要按顺序的数据：
private val indeices = intArrayOf(
// 注意索引从0开始!
// 此例的索引(0,1,2,3)就是顶点数组vertices的下标，
// 这样可以由下标代表顶点组合成矩形
0, 1, 3, // 第一个三角形
1, 2, 3 // 第二个三角形
)
它的创建也跟 VAO 特别像
- 创建对象：glGenBuffers
- 绑定对象到上下文：glBindBuffer
- 绑定顺序的数据：glBufferData ，根据前面的解释，这个对象参数，选择 GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
代码如下：
//创建 ebo
GLES30.glGenBuffers(1,ebo,0)
//绑定 ebo 到上下文
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,ebo[0])
//昂丁
GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,
indexData.capacity() * 4,
indexData,
GLES30.GL_STATIC_DRAW
)
跟 VBO 和 VAO 结合后的代码：
private fun useVaoVboAndEbo(){
val vertexData = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_RECT_DATA2)
val indexData = BufferUtil.createIntBuffer(indeices)
//使用 vbo,vao 优化数据传递
//创建 VAO
GLES30.glGenVertexArrays(1,vao,0)
// //创建 VBO
GLES30.glGenBuffers(1,vbo,0)
//绑定 VAO ,之后再绑定 VBO
GLES30.glBindVertexArray(vao[0])
//绑定VBO
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
GLES30.glBufferData(
GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,
vertexData.capacity() * 4,
vertexData,
GLES30.GL_STATIC_DRAW)
//创建 ebo
GLES30.glGenBuffers(1,ebo,0)
//绑定 ebo 到上下文
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,ebo[0])
//昂丁
GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,
indexData.capacity() * 4,
indexData,
GLES30.GL_STATIC_DRAW
)
//绘制位置
GLES30.glVertexAttribPointer(
0, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 0
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)
//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置
vertexData.position(3)
GLES30.glVertexAttribPointer(
1, 3, GLES30.GL_FLOAT,
false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)
GLES30.glBindVertexArray(0)
//注意顺序，ebo 要在 vao 之后
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,0)
}
关于 EBO 为啥要再 VAO 之后，可以参考 https://www.zhihu.com/question/39082624
绘制：
GLES30.glBindVertexArray(vao[0])
GLES30.glDrawElements(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP,6,GLES30.GL_UNSIGNED_INT,0)
注意这里把 glDrawArrays 替换成了 glDrawElements ，表示我们要从索引缓存中渲染三角形。它的参数如下：
- 绘制类型，这里也是三角形 GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP
- 顶点个数：6 个，实际是两个三角形
- 索引的类型，这里是GL_UNSIGNED_INT
- 最后是偏移量，这里填0即可
glDrawElements函数从当前绑定到GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER目标的EBO中获取其索引。但前面说道，VAO 可以关联 buffer object 的索引，所以，统一使用 VAO 去关联即可。
如下图：
可以看到，VAO 实际上关联了 VAO 和 EBO 。
效果：
参考：
https://learnopengl-cn.github.io/01%20Getting%20started/04%20Hello%20Triangle/
https://www.zhihu.com/question/39082624
https://juejin.cn/post/7149775557398364167