OpenGL的Draw函数
OpenGL的Draw函数
前言
初学OpenGL时会发现各种各样的Draw*函数，每种Draw*的功能和适合使用场景是什么，在这里做一下整理。对于老式的Draw(OpengGL1，2的glBegin）不做讨论，其实理解OpenGL3,4的方法就够了。
1.图元类型
Draw是用于画图元的，这些图元包括的类型有：
| 基本图元 | 包含类型 |
|---|---|
| Point | Point list |
| Line | Line list, Line strip, Line loop |
| triangle | Triangle list, Triangle strip, Triangle fan |
假设Draw输入了N个点结合它们的拓扑结构看，这些图元类型特点很好理解：
- list:独立的图元
取每k个点作为一个单独的图元（point,k=1;line k=2;triangle k=3)，每个图元没有公共顶点，如N=8时，能画出8个point，4条line；N=9时，画出3个triangle。 - strip:相连着的图元，line和triangle才有。
1)对于line,前面2个顶点组成一条线后，后面的每个顶点都与其前一个顶点组成一条线，因此共N-1条线；
2)对于triangle，前面3个顶点组成一个三角形后，后面的每个顶点与其前两个顶点组成一个三角形，因此共N-2个三角形 - Line loop:类似Line strip，但首尾两个顶点也构成一条线。
- Triangle fan:有一个公共顶点，前面三个顶点组成一个三角形后，后面的顶点于前一个顶点及公共顶点组成新的三角形。
谈谈strip的特点
- 当模型由许多相连的三角形构成时，使用strip较于list可以显著减少带宽。
- triangle strip或line strip相邻两个图元会有重合的顶点或线，但渲染时不会重复画像素。
- triangle strip的所有三角形的绕向都是一致，这样保证了整个strip都被cull或都不被cull。
当渲染模式为flat shading时，一个三角形内部所有像素将被渲染成同一种颜色，颜色默认来自三角形的最后一个顶点（也可通过glProvokingVertex选择第一个顶点）。因此结合上一个特点，可知strip中每个三角形分别为：(0,1,2),(2,1,3),(2,3,4),(4,3,5),(4,5,6)……flat shading的颜色分别来自顶点2，3，4，5，6……通过一个实验验证，定义6个顶点，其颜色分别为红，绿，蓝，红，绿，蓝。
void init() { glViewport(0,0,128,128); glGenVertexArrays(NumVAOs, VAOs);//生成VAO glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);//绑定VAO GLfloat positions[NumVertex][2]={//6个顶点的位置坐标 {0.0f, 32.0f}, {16.0f, 0.0f}, {32.0f, 32.0f}, {48.0f, 0.0f}, {64.0f, 32.0f}, {80.85f, 0.0f} }; GLfloat colors[NumVertex][4]={//6个顶点的Color {1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f}, {1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f}, }; glGenBuffers(NumBuffers, Buffers);//生成VBO glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, Buffers[ArrayBuffer]);//绑定VBO glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(positions)+sizeof(colors), NULL, GL_STATIC_DRAW);//为VBO分配大小刚好填充position和color数据的空间 glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, sizeof(positions), positions);//填充position数据 glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(positions), sizeof(colors), colors);//填充color数据 ShaderInfo shaders[]={ {GL_VERTEX_SHADER,"triangles.vert"}, {GL_FRAGMENT_SHADER,"triangles.frag"}, {GL_NONE,NULL} }; GLuint program = LoadShaders(shaders);//编译,链接vs和fs glUseProgram(program); int vPosition_loc = glGetAttribLocation(program, "vPosition"); int vColor_loc = glGetAttribLocation(program, "vColor"); //cout<<vPosition_loc<<" "<<vColor_loc<<endl; glVertexAttribPointer(vPosition_loc, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, BUFFER_OFFSET(0));//将VBO中的position数据plumbing到vs glEnableVertexAttribArray(vPosition_loc); glVertexAttribPointer(vColor_loc, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (void*)sizeof(positions));//将VBO中的color数据plumbing到vs glEnableVertexAttribArray(vColor_loc); }当按正常方式渲染时，vertex Shader的代码如下：
#version 110 in vec4 vPosition; in vec4 vColor; out vec4 vs_fs_color; void main() { gl_Position.x = (vPosition.x-64)/64; gl_Position.y = (vPosition.y-64)/64; gl_Position.zw = vPosition.zw; vs_fs_color = vColor; }fragment shader:
#version 110 out vec4 fColor; in vec4 vs_fs_color; void main() { fColor = vs_fs_color; }程序中将viewport设为（0,0,128,128)，VS中的变换是为了抵消viewport transform，让vertex buffer中的position即屏幕坐标(原点位于Render Target的左下角)。结果为
再试试使用flat shading，vertex shader:
#version 110
in vec4 vPosition;
in vec4 vColor;
flat out vec4 vs_fs_color;
void main()
{
gl_Position.x = (vPosition.x-64)/64;
gl_Position.y = (vPosition.y-64)/64;
gl_Position.zw = vPosition.zw;
vs_fs_color = vColor;
}
fragment shader:
#version 110
out vec4 fColor;
flat in vec4 vs_fs_color;
void main()
{
fColor = vs_fs_color;
}
这里使用flat qualifier，指定color为flat shading，注意vs的输出和vs的对应输入要同时指定为flat，结果为：
可见每个三角形都以最后一个顶点的颜色做flat shading。
2.OpengGL的Draw函数
2.1认识两种最基本的Draw函数
- glDrawArrays(GLenum mode, GLint first, GLsizei count)
- glDrawElements(GLenum mode, GLsizei count, GLenum type, GLvoid* indices)
DrawArrays和DrawElements是两种最基本的Draw函数。
2.1.1 glDrawArrays
为最常用的Draw函数，按mode指定的图元类型，画出vertex buffer中第first个起的count个顶点。
2.1.2 glDrawElements
使用glDrawElements前，除了类似glDrawArrays一样准备好VAO和VBO外，还需要产生并绑定EBO(Element Buffer Object），注入的数据为一个类型为type的数组，其元素表示vertex buffer中顶点索引。glDrawElement以按照指定的图元类型mode,以其前count个元素作为VBO中顶点数据的索引。
init函数
void init()
{
glViewport(0,0,128,128);
glGenVertexArrays(NumVAOs, VAOs);
glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);
GLfloat positions[NumVertex][2]={
{0.0f, 32.0f},
{16.0f, 0.0f},
{32.0f, 32.0f},
{48.0f, 0.0f},
{64.0f, 32.0f},
{80.85f, 0.0f}
};
GLfloat colors[NumVertex][4]={
{1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f},
{0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f},
{0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f},
{1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f},
{0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f},
{0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f},
};
GLushort indices [] =
{
0,1,2,1,2,3,2,3,4,3,4,5
};
glGenBuffers(1, EBOs);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBOs[0]);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);
glGenBuffers(NumBuffers, Buffers);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, Buffers[ArrayBuffer]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(positions)+sizeof(colors), NULL, GL_STATIC_DRAW);
glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, sizeof(positions), positions);
glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(positions), sizeof(colors), colors);
ShaderInfo shaders[]={
{GL_VERTEX_SHADER,"triangles.vert"},
{GL_FRAGMENT_SHADER,"triangles.frag"},
{GL_NONE,NULL}
};
GLuint program = LoadShaders(shaders);
glUseProgram(program);
int vPosition_loc = glGetAttribLocation(program, "vPosition");
int vColor_loc = glGetAttribLocation(program, "vColor");
//cout<<vPosition_loc<<" "<<vColor_loc<<endl;
glVertexAttribPointer(vPosition_loc, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, BUFFER_OFFSET(0));
glEnableVertexAttribArray(vPosition_loc);
glVertexAttribPointer(vColor_loc, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (void*)sizeof(positions));
glEnableVertexAttribArray(vColor_loc);
}
dispaly函数
void dispaly(void)
{
//glProvokingVertex(GL_FIRST_VERTEX_CONVENTION);//LAST_VERTEX_CONVENTION
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);
//glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, NumVertex);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 12, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);
glFlush();
}
结果为：
由此，DrawElements同样用6个顶点画出了4个三角形，用DrawArrays则需要12个顶点，省下得不仅是存储顶点数据的buffer。每个顶点都要经由Shader的计算以及Raster的相关处理，当pipeline中cache一定量的已处理顶点并根据index做击中测试时，DrawElements将4个三角形所需要的计算和数据带宽降低到4个顶点（当然还要加上index所占带宽）。
在display函数中，DrawElements的最后一个参数indices并未使用。这里的indices一般在旧式中用到。通常是先用glEnableClientState开启
GL_VERTEX_ARRAY，当vertex array enble后，使用数组indices直接调用。
2.2基本Draw函数的变种
2.2.1 *Instanced
| 变种类型 | 变种函数 |
|---|---|
| *Instanced | DrawArraysInstanced |
以glDrawArraysInstanced(GLenum mode, GLsizei first, GLsizei count, GLsizei primcount)为例进行说明。
当vertex buffer中的顶点会被多个图元频繁使用时，DrawElements比DrawArrays更为高效；
当需要将一个模型多次渲染，并且每次具有不同的位置或某种属性时，DrawArraysInstanced为更为有效简洁。
在应用中有时需要多次画同一个模型，但每次该模型的部分属性有所不同。例如画楼群，森林时，可以使用同一个模型，每次为该模型赋予不同的坐标变换，颜色等等。这样需要调用多次Draw函数，每次使用新的属性数据等。
DrawArraysInstanced便是为这种需要准备的，它接收5个参数，前4个参数与DrawArrays一致。我们将其中指定的count个顶点构成的模型称为一个Instance，第5个参数primcount表示要重复画多少个instance。使用glVertexAttribDivisor(GLuint index, GLuint divisor)将序数为index的属性指定为instance属性，每隔divisor个instance，vertex shader中注进buffer一个新的属性值。
在init函数中多添加一句代码：glVertexAttribDivisor(vColor_loc, 1);
glVertexAttribPointer(vColor_loc, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (void*)sizeof(positions));//将VBO中的color数据plumbing到vs
glEnableVertexAttribArray(vColor_loc);
glVertexAttribDivisor(vColor_loc, 1);
并修改display函数
void dispaly(void)
{
//glProvokingVertex(GL_FIRST_VERTEX_CONVENTION);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
glBindVertexArray(VAOs[Triangles]);
//glDrawArrays(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, NumVertex);
//glDrawElements(GL_TRIANGLES, 12, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);
glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLE_STRIP, 0, NumVertex, 5);
glFlush();
}
及vertex shader:
#version 410
in vec4 vPosition;
in vec4 vColor;
out vec4 vs_fs_color;
void main()
{
gl_Position.x = (vPosition.x + gl_InstanceID*20-64)/64;
gl_Position.y = (vPosition.y+ gl_InstanceID*20-64)/64;
gl_Position.zw = vPosition.zw;
vs_fs_color = vColor;
}
对于Instance drawing，在vertex shader中gl_InstanceID表示每个顶点的Instance序数，这里使用之作简单地偏移，将不同Instance的位置区分开来。
结果如下：
如果用glVertexAttribDivisor(vColor_loc, 2);
则结果为
2.2.2 *BaseVertex
用于扩展DrawElements，当根据indices作为索引从vertex buffer中读取数据时，有时希望允许一定数目顶点的偏移——例如当vertex buffer中存着动画的多帧，需要按照一定的偏移取每一帧的数据进行渲染。该偏移通过一个额外的参数GLint basevertex指定。
2.2.3 *BaseInstance
用于扩展Draw*Instanced，通过一个额外的参数GLint baseInstance指定按照baseInstace作为偏移从buffer中取出instance属性的数据。
2.2.4 *BaseInstanceBaseVertex
同时具有前面两种作用。
2.2.5 *Indirect
| 变种类型 | 变种函数 |
|---|---|
| *Indiret | DrawArraysIndiret |
* DrawArraysIndiret具有DrawArraysInstanced一样的参数及功能，只不过其参数间接从类型为GL_DRAW_INDIRECT_BUFFER的buffer中读出。
* DrawElementsIndiret具有DrawElementsInstanceBaseVertex一样的参数及功能，只不过其参数间接从buffer中读出。
结语
本篇主要根据OpenGL programming Guide 8th edition对OpenGL各种Draw函数做个简单的归类。其他Draw还有很多，关键在于根据各种情况的需要多实践。第一次用Markdown码字，感觉挺好用，编辑器的效果比网页上要好很多。