osg::DrawElements*系列函数及GL_QUAD_STRIP、GL_QUADS绘制四边形效率对比
目录
1. 前言
2. osg::DrawElements*系列函数用法说明
3. GL_QUADS、GL_QUAD_STRIP用法及不同点
4. 效率对比
5. 总结
6. 参考资料
1. 前言
利用osg绘制图元，如：三角形、四边形等，一般用osg::PrimitiveSet类。其派生出了很多子类，如下图所示：
图1
在开发中，用DrawElements*系列函数和osg::DrawArrays函数绘制图元比较多，本文以绘制四边形为例子，以osg::DrawElementsUShort、osg::DrawArrays来讲解怎样绘制四边形，及GL_QUAD_STRIP、GL_QUAD的不同、它们之间的效率。
2. osg::DrawElements*系列函数用法说明
osg::DrawElements*系列函数osg::DrawElementsUShort、osg::DrawElementsUBye、osg::DrawElementsUInt从osg::DrawElements派生，而osg::DrawElements对应OPenGL的glDrawElements函数，关于glDrawElements函数用法，请参考：
《glDrawElements用法说明》。
osg::DrawArrays 类在直接从数组读取顶点数据时效果很好，没有间隙。 但是，当同一个顶点可以属于一个对象的多个面时，它就不那么有效了。 考虑这个例子：
图2
一个立方体有八个顶点。 然而，从图中可以看出（我们正在考虑将一个立方体扫到一个平面上），一些顶点属于多个面。 如果我们构建一个包含 12 个三角形面的立方体（注：虽然是绘制四边形，但GPU等硬件在真正绘制时，是用两个三角形来拼出一个四边形的，对于硬件来说绘制2个三角形比直接一个四边形效率更高，故6个四边形其实内部绘制是12个三角形绘制的），那么这些顶点将重复，而不是 8 个顶点的数组，我们将得到 36 个顶点的数组，其中大部分实际上是相同的顶点！
在OSG中，有类 osg::DrawElementsUInt、 osg::DrawElementsUByte和 osg::DrawElementsUShort，它们使用顶点索引数组作为数据，旨在解决上述问题。 索引数组存储描述几何体的面和其他元素的图元顶点的索引。 将这些类应用于立方体时，存储八个顶点的数据就足够了，这些顶点通过索引数组与面相关联。
osg::DrawElements* 类型的类的设计方式与标准 std::vector 类的设计方式相同。 此代码可用于添加索引。如：
osg::ref_ptr de = new osg::DrawElementsUInt(GL_TRIANGLES);
de->push_back(0);
de->push_back(1);
de->push_back(2);
de->push_back(3);
de->push_back(0);
de->push_back(2); 此代码定义图2中所示的立方体的正面。考虑另一个说明性的例子——八面体。
图3
很有趣，因为它只包含六个顶点，但每个顶点已经在四个三角形面中了！ 我们可以使用 osg::DrawArrays 创建一个包含 24 个顶点的数组来显示所有八个面。 然而，我们将采取不同的方式——我们将顶点存储在一个包含六个元素的数组中，并使用类 osg::DrawElementsUInt 生成面。
main.h
#ifndef MAIN_H
#define MAIN_H
#include
#include
#include
#include
#endif main.cpp
#include"main.h"
int main(int argc, char *argv[]){
osg::ref_ptr vertices = new osg::Vec3Array(6);
(*vertices)[0].set( 0.0f, 0.0f, 1.0f);
(*vertices)[1].set(-0.5f, -0.5f, 0.0f);
(*vertices)[2].set( 0.5f, -0.5f, 0.0f);
(*vertices)[3].set( 0.5f, 0.5f, 0.0f);
(*vertices)[4].set(-0.5f, 0.5f, 0.0f);
(*vertices)[5].set( 0.0f, 0.0f, -1.0f);
osg::ref_ptr indices = new osg::DrawElementsUInt(GL_TRIANGLES, 24);
(*indices)[ 0] = 0; (*indices)[ 1] = 1; (*indices)[ 2] = 2;
(*indices)[ 3] = 0; (*indices)[ 4] = 4; (*indices)[ 5] = 1;
(*indices)[ 6] = 4; (*indices)[ 7] = 5; (*indices)[ 8] = 1;
(*indices)[ 9] = 4; (*indices)[10] = 3; (*indices)[11] = 5;
(*indices)[12] = 3; (*indices)[13] = 2; (*indices)[14] = 5;
(*indices)[15] = 1; (*indices)[16] = 5; (*indices)[17] = 2;
(*indices)[18] = 3; (*indices)[19] = 0; (*indices)[20] = 2;
(*indices)[21] = 0; (*indices)[22] = 3; (*indices)[23] = 4;
osg::ref_ptr geom = new osg::Geometry;
geom->setVertexArray(vertices.get());
geom->addPrimitiveSet(indices.get());
osgUtil::SmoothingVisitor::smooth(*geom);
osg::ref_ptr root = new osg::Geode;
root->addDrawable(geom.get());
osgViewer::Viewer viewer;
viewer.setSceneData(root.get());
return viewer.run();
} 上述代码先创建一个有六个顶点的数组，然后使用指针解引用操作和 operator [] 操作符寻址其坐标向量 赋值。别忘了 osg::Array 是 std::vector 的派生类。然后为面创建为顶点索引列表。面将是三角形的，共有 8 个，这意味着索引列表应包含 24 个元素。 面索引按顺序进入此数组：例如，面 0 由顶点 0、1 和 2 组成； 面 1 - 顶点 0、4 和 1； 面 2 - 顶点 4、5 和 1，依此类推。 顶点按逆时针顺序列出，如果你看正面（见图3）。
3. GL_QUADS、GL_QUAD_STRIP用法及不同点
GL_QUADS：绘制一系列四边形，首先使用顶点V0、V1、V2、V3绘制第1个四边形，然后是V4、V5、V6、V7绘制第2个四边形，接下来以次类推，如果顶点个数n不是4的倍数，最后1个、2个、3个顶点被忽略。注意：如果四边形之间的顶点坐标不相同，则这些四边形是分离的，如下：
图4
GL_QUAD_STRIP：绘制一系列四边形，首先使用顶点V0、V1、V3、V2绘制第1个四边形，接着是V2、V3、V5、V4，然后是V4、V5、V7、V6。以此类推。顶点个数n至少要大于4，否则不会绘制任何四边形。如果n是奇数，最后一点顶点就被忽略。如下：
图5
GL_QUAD_STRIP画出一组共享边的四边形。对于较小的模型，共享边的差异可以忽略不计；对于较大的模型，使用GL_QUAD_STRIP意味着显著地节省了计算次数。从第一对顶点开始，相邻的两对定点被定义成一个四边形。定点 2n-1、2n、2n+2和2n+1定义了第n个四边形。有|V|/2-1个四边形将被绘制，|V|代表顶点的个数，如果|V|小于4，OpenGL将不会绘制任何图形。所有四边形将以逆时针顺序排列，互相连接形成四边形带。注意用来构成四边形的顶点顺序和使用GL_QUADS时的顺序是不同的，每一个四边形的第二对定点被逆向使用，以使每一个四边形顶点能被一致地定义。
图6
4. 效率对比
本节以osg::DrawElements*系列函数及GL_QUAD_STRIP、GL_QUADS绘制四边形，以看看它们之间的效率差别。绘制10个连接的立方体如下：
图7
代码如下：
// QUAD_STRIP.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//
#include
#include
#include
#include
//const auto g_quadCount = 1000000;
const auto g_quadCount = 10;
osg::ref_ptr createQuads3()
{
osg::ref_ptr spGeode = new osg::Geode;// Geode是Node的派生类，为了绘制图元的管理类
osg::ref_ptr spGeometory = new osg::Geometry;
spGeode->addChild(spGeometory);
osg::ref_ptr spCoordsArray = new osg::Vec3Array;
auto offset = 0;
int nGeomeryCount = 0;
while (true)
{
// 前面
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前左下顶点 V1
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前右下顶点 V2
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前左上顶点 V3。注意：前左上顶点才是第3个顶点，而不是前右上顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前右上顶点 V4
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // V5
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // V6
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // V7
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // V8
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // V9
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // V10
offset += 2; // y轴方向上宽度为2
nGeomeryCount++;
if (g_quadCount == nGeomeryCount)
{
break;
}
}
spGeometory->setVertexArray(spCoordsArray);
spGeometory->addPrimitiveSet(new osg::DrawArrays(GL_QUAD_STRIP, 0, spCoordsArray->size()));
return spGeode;
}
osg::ref_ptr createQuads2()
{
osg::ref_ptr spGeode = new osg::Geode;// Geode是Node的派生类，为了绘制图元的管理类
osg::ref_ptr spGeometory = new osg::Geometry;
spGeode->addChild(spGeometory);
//spGeode->addDrawable(spGeometory);// 可以将addChild替换为这句。
osg::ref_ptr spCoordsArray = new osg::Vec3Array;
auto totalVertCount = g_quadCount * 8;
osg::DrawElementsUShort* pDrawElemt = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS, 24 * g_quadCount); // 立方体共8个顶点,每个顶点重复了3次
auto iVertCount = 0;
for (auto offset = 0; ; offset += 2)
{
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 0
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 1
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 2
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 3
iVertCount += 4;
if (iVertCount >= totalVertCount)
{
break;
}
}
for (auto guadIndex = 0; guadIndex < g_quadCount; ++guadIndex)
{
auto nElementIndex = guadIndex * 24;
// 右侧面
auto temp = 4 * guadIndex;
(*pDrawElemt)[0 + nElementIndex] = 0 + temp;
(*pDrawElemt)[1 + nElementIndex] = 4 + temp;
(*pDrawElemt)[2 + nElementIndex] = 5 + temp;
(*pDrawElemt)[3 + nElementIndex] = 1 + temp;
// 前面
if (0 == guadIndex % 2)// 前一个立方体的后面和后一个立方体的前面重合，故只绘制一个
{
(*pDrawElemt)[4 + nElementIndex] = 0 + temp;
(*pDrawElemt)[5 + nElementIndex] = 1 + temp;
(*pDrawElemt)[6 + nElementIndex] = 2 + temp;
(*pDrawElemt)[7 + nElementIndex] = 3 + temp;
}
// 左侧面
(*pDrawElemt)[8 + nElementIndex] = 3 + temp;
(*pDrawElemt)[9 + nElementIndex] = 7 + temp;
(*pDrawElemt)[10 + nElementIndex] = 6 + temp;
(*pDrawElemt)[11 + nElementIndex] = 2 + temp;
// 上面
(*pDrawElemt)[12 + nElementIndex] = 1 + temp;
(*pDrawElemt)[13 + nElementIndex] = 5 + temp;
(*pDrawElemt)[14 + nElementIndex] = 6 + temp;
(*pDrawElemt)[15 + nElementIndex] = 2 + temp;
// 后面
(*pDrawElemt)[16 + nElementIndex] = 4 + temp;
(*pDrawElemt)[17 + nElementIndex] = 5 + temp;
(*pDrawElemt)[18 + nElementIndex] = 6 + temp;
(*pDrawElemt)[19 + nElementIndex] = 7 + temp;
// 底面
(*pDrawElemt)[20 + nElementIndex] = 0 + temp;
(*pDrawElemt)[21 + nElementIndex] = 4 + temp;
(*pDrawElemt)[22 + nElementIndex] = 7 + temp;
(*pDrawElemt)[23 + nElementIndex] = 3 + temp;
}
spGeometory->setVertexArray(spCoordsArray);
spGeometory->addPrimitiveSet(pDrawElemt);
return spGeode;
}
osg::Geode* createQuads1()
{
auto pGeode = new osg::Geode;
auto pGeomery = new osg::Geometry;
pGeode->addChild(pGeomery);
auto spCoordsArray = new osg::Vec3Array;
auto offset = 0;
int nGeomeryCount = 0;
while (true)
{
// 右侧面
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前右下顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后右下顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后右上顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前右上顶点
// 前面
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 右下顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 右上顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 左上顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 左下顶点
// 左侧面
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前左下顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前左上顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后左上顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后左下顶点
// 后面
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后下顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后上顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 左上顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 左下顶点
// 上面
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前右顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后右顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后左顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前左顶点
// 底面
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前右顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后右顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后左顶点
spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前左顶点
offset += 2; // y轴方向上宽度为2
nGeomeryCount++;
if (g_quadCount == nGeomeryCount)
{
break;
}
}
pGeomery->setVertexArray(spCoordsArray);
pGeomery->addPrimitiveSet(new osg::DrawArrays(GL_QUADS, 0, spCoordsArray->size()));
return pGeode;
}
int main()
{
auto pRoot = new osg::Group;
auto pGeode = createQuads3();
pGeode->getOrCreateStateSet()->setAttribute(
new osg::PolygonMode(osg::PolygonMode::FRONT_AND_BACK, osg::PolygonMode::LINE));
pGeode->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF);
pRoot->addChild(pGeode);
auto pViewer = new osgViewer::Viewer;
auto pStatsHander = new osgViewer::StatsHandler;
pViewer->addEventHandler(pStatsHander);
pViewer->setSceneData(pRoot);
pViewer->run();
}
当g_quadCount为10时，把第195行代码分别换成createQuads1、createQuads2、createQuads3，在视景器窗体中连续按4次键盘小写s键时，createQuads1函数即用osg::DrawArrays及GL_QUADS各性能指标如下：
图8 osg::DrawArrays及GL_QUADS绘制10个立方体时的各性能指标
createQuads2函数即用osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS各性能指标如下：
图9 osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS绘制10个立方体时的各性能指标
createQuads3函数即用osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP各性能指标如下：
图10 osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP绘制10个立方体时的各性能指标
当绘制的立方体个数为10即立方体个数很少时，这三者在GPU占用、帧率、绘制、裁剪等方面差别不是很大。
当将g_quadCount改为1000000时， createQuads1函数即用osg::DrawArrays及GL_QUADS各性能指标如下：
图11 osg::DrawArrays及GL_QUADS绘制1000000个立方体时的各性能指标
createQuads2函数即用osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS各性能指标如下：
图12 osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS绘制1000000个立方体时的各性能指标
createQuads3函数即用osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP各性能指标如下：
图13 osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP绘制100000个立方体时的各性能指标
当要绘制的立方体很多时， 采用osg::DrawArrays和GL_QUAD_STRIP明显比osg::DrawElementsUShort及osg::DrawArrays和GL_QUADS效率高很多、GPU占用大大减少、帧率高；而osg::DrawElementsUShort和GL_QUADS比osg::DrawArrays和GL_QUADS效率高一些，因为osg::DrawElementsUShort采取的是点的索引，剔除了重复，所以效率会高点。
5. 总结
- osg::DrawElements*系列函数采用点的索引绘制图元，而osg::DrawArrays采用点的数组来绘制图元，当点个数很多时，前者效率高些。
- 当点个数是巨大量时，GL_QUAD_STRIP比采用GL_QUADS效率高很多。同样地GL_TRIANGLE_STRIP绘制三角形时效率比GL_TRIANGLES高。
- 上述代码main函数中用到了统计和性能相关的各项参数的osgViewer::StatsHandler类，关于该类的用法，请参考：浅谈osgViewer::StatsHandler、osg::Stats类的用法
6. 参考资料
【1】：OpenGL编程指南（原书第7版）。
【2】：理解GL_QUAD_STRIP。
【3】：OSG几何开发快速教程。