VA、VAO和VBO API备忘

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• 缘起

接触OpenGL有一段时间了，大多数时候都是使用OSG在进行开发，前几天同事问起OpenGL中VBO的相关内容，才发现很多OpenGL的知识生疏了。这两天花了点时间重新复习了一下与VBO相关的内容，记录在此以备忘。文中大部分内容来自网络。

• 概述
  

OpenGL从OpenGL 3.0开始将API分成了两种类型：即旧式的OpenGL(Legacy OpenGL)和新式的OpenGL(Core Profile)，OpenGL3.3 的官方API文档完整地描述了新式的OpenGL API，旧式的OpenGL API可以在OpenGL 2.1中查看。

对于OpenGL渲染的的第一站：也就是把顶点数据(包括顶点位置、顶点法线、顶点颜色、纹理坐标等)传入到OpenGL，旧式的OpenGL中有以下几种方式实现：

1. 立即模式（glBegin/glEnd） 这种方式恐怕是学习OpenGL最早接触到的API吧，至少我是这样。不过很遗憾它已经被新式OpenGL抛弃了
   
2. 顶点数组（VA：Vertex Array）相比立即模式减少了函数的调用开销。目前也被新式OpenGL抛弃
3. 缓冲区对象（VBO：Vertex Buffer Object）相比较VA，将数据存储到服务器端(VA存储在客户端)。目前是新式OpenGL支持的唯一数据传入方式
   
4. 显示列表（Display List）将若干条OpenGL命令编译好，直接由显卡调用。由于编译好的模块无法修改，丧失了灵活性。也被新式OpenGL抛弃

此外VBO在Legacy OpenGL中和Core Profile OpenGL中的使用也有着不同的方式。

• VA API

(1) 开启和关闭VA

 //开启和关闭客户端状态
 void glEnableClientState(GLenum cap);
 void glDisableClientState(GLenum cap);

 //参数cap取值
 GL_VERTEX_ARRAY                 //顶点位置
 GL_COLOR_ARRAY                  //顶点颜色
 GL_EDGE_FLAG_ARRAY              //顶点边界线标识
 GL_FOG_COORD_ARRAY              //顶点雾坐标
 GL_INDEX_ARRAY                  //顶点索引
 GL_NORMAL_ARRAY                 //顶点法线
 GL_SECONDARY_COLOR_ARRAY            //顶点辅助颜色
 GL_TEXTURE_COORD_ARRAY              //顶点纹理坐标

(2) 设置数据到顶点

 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 //以下是一系列设置顶点数据的API
 //参数取值(默认形参代表OpenGL中默认值):
 // size   描述数据的维度(2D\3D)
 // type   描述每个数据的类型
 // stride 描述每个顶点数据的跨度
 //pointer 指向实际数据


 //设置顶点位置数据
 void glVertexPointer( GLint size=4,  GLenum type=GL_FLOAT,  GLsizei stride=0,  const GLvoid *pointer=0);
 //设置顶点颜色数据
 void glColorPointer( GLint size=4,  GLenum type=GL_FLOAT,  GLsizei stride=0,  const GLvoid *pointer=0);
 //设置顶点边界线标识数据
 void glEdgeFlagPointer( GLsizei stride=0,  const GLvoid *pointer=0);
 //设置顶点雾坐标数据
 void glFogCoordPointer( GLenum type=GL_FLOAT, GLsizei stride=0,  GLvoid *pointer=0);
 //设置顶点索引数据
 void glIndexPointer( GLenum type=GL_FLOAT,  GLsizei stride=0,  const GLvoid *pointer=0);
 //设置顶点法线数据
 void glNormalPointer( GLenum type=GL_FLOAT,  GLsizei stride=0,  const GLvoid *pointer=0);
 //设置顶点辅助颜色数据
 void glSecondaryColorPointer( GLint size=3,  GLenum type=GL_FLOAT,  GLsizei stride=0,  const GLvoid *pointer=0);
 //设置顶点纹理坐标数据
 void glTexCoordPointer( GLint size=4,  GLenum type=GL_FLOAT,  GLsizei stride=0,  const GLvoid *pointer=0);

(3) VA绘制

 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 //通过设置好的顶点数据进行绘制:可以使用下列API进行绘制

 void glDrawArrays( GLenum mode,  GLint first,  GLsizei count);
 //参数描述
 //mode    绘制几何图元类型(GL_POINTS, GL_LINE_STRIP, GL_TRIANGLE等)
 //first      顶点数据的开始索引位置(对应(2)中pointer)
 //count    需要渲染的顶点数据数量

 void glDrawElements( GLenum mode,  GLsizei count,  GLenum type,  const GLvoid *indices);
 //参数描述
 //mode     绘制几何图元类型(GL_POINTS, GL_LINE_STRIP, GL_TRIANGLE等)
 //count     第四个参数indices中参与渲染的索引数量
 //type       第四个参数indices的数据类型
 //indices  需要额外传入的一个索引数组指针

 void glDrawRangeElements( GLenum mode, GLuint start,  GLuint end,  GLsizei count,  GLenum type,  const GLvoid * indices);
 //参数描述(与glDrawElements一致但多出两个参数)
 //mode     绘制几何图元类型(GL_POINTS, GL_LINE_STRIP, GL_TRIANGLE等)
 //count     第四个参数indices中参与渲染的索引数量
 //type       第四个参数indices的数据类型
 //indices  需要额外传入的一个索引数组指针
 //start       索引数组indices中的最小值索引值
 //end        索引数组indices中的最大值索引值

以上就是VA所涉及到的基本API，使用过程如下

首先开启客户端VertexArray状态，接着绑定数据到顶点状态，最后进行绘制：

 static float vertices[][3] = {
     1.0f, 0.0f, 0.0f,
     0.0f, 1.0f, 0.0f,
     -1.0f, 0.0f, 0.0f
 };

 static float colors[][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
 };

 //绘制函数
 void renderScene()
 {
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

     glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
     glLoadIdentity();
     glTranslatef(0.0f, 0.0f, -5.0f);

     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //开启VA状态
     glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
     glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
     //绑定数据
     glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertices);
     glColorPointer(4, GL_FLOAT, 0, colors);
     //绘制
     glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
     //关闭VA状态
     glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
     glDisableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 }

• VBO API

前文描述了VBO在Legacy 和Core Profile中有两种不同的方式：

• Legacy OpenGL VBO API

(1)创建(初始化)VBO对象

 //创建VBO的API
 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 void glGenBuffers( GLsizei   n, GLuint *   buffers);
 //生成缓冲区ID
 //参数描述
 // n            生成ID数量
 // buffers 存储缓冲区ID的数组

 void glBindBuffer( GLenum   target,  GLuint   buffer);
 //设置缓冲区为当前操作的缓冲区，并且设置缓冲区的类型
 //参数描述
 //target            缓冲区类型(包括4种)
 GL_ARRAY_BUFFER
 GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
 GL_PIXEL_PACK_BUFFER
 GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER
 //buffer        使用glGenBuffers生成的缓冲区ID

 void glBufferData( GLenum   target,  GLsizeiptr   size,  const GLvoid *   data,  GLenum   usage);
 //为缓冲区设置数据
 //参数描述
 //target            缓冲区类型(包括4种)
 GL_ARRAY_BUFFER
 GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
 GL_PIXEL_PACK_BUFFER
 GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER
 //size             缓冲区大小(多少字节)
 //data         实际指向数组的指针
 //usage        当前缓冲区的使用模式[一种提示用来优化之用](取值如下9种)
 GL_STREAM_DRAW
 GL_STREAM_READ
 GL_STREAM_COPY
 GL_STATIC_DRAW
 GL_STATIC_READ
 GL_STATIC_COPY
 GL_DYNAMIC_DRAW
 GL_DYNAMIC_READ
 GL_DYNAMIC_COPY

(2)开启/关闭VBO

当创建完VBO之后，我们并不知道VBO中存储的是顶点位置、还是顶点颜色或者是顶点法线，于是使用下面的API来描述某一个VBO中到底是顶点什么方面的数据

 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 //开启关闭VBO状态
 void glEnableClientState(GLenum cap);
 void glDisableClientState(GLenum cap);
 //参考VA中的描述


 void glVertexPointer( GLint   size,  GLenum   type,  GLsizei   stride,  const GLvoid *   pointer);
 //参考VA中的描述:
 //但是pointer参数有所区别：
 //当使用了glBindBuffer将GL_ARRAY_BUFFER绑定到一个非0的VBO ID上之后，这时候的pointer
 //代表的是一个VBO ID对象中实际数据(glBufferData中data参数)的偏移值，也就是说这时候pointer
 //并不是一个指针，仅仅是一个偏移值。同时GL_ARRAY_BUFFER_BINDING这个状态会保存在客户端

 //综合上面VA中的解释：可以知道这个glVertexPointer中的pointer两种含义:
 //(1)当glBindBuffer绑定到非0的ID时：
 //pointer代表偏移，此时客户端glClientState中会保存GL_ARRAY_BUFFER_BINDING暗示现在在用VBO
 //(2)当glBindBuffer绑定到0的ID时：
 //pointer代表一个指向数组的指针，此时客户端glClientState中不会保存GL_ARRAY_BUFFER_BINDING暗示现在在用VA

 //同理，对于VA中用到的一系列函数都有同样的解释，不再赘述：
 glColorPointer
 glEdgeFlagPointer
 glFogCoordPointer
 glIndexPointer
 glNormalPointer
 glSecondaryColorPointer
 glTexCoordPointer

(3)VBO绘制

 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 //绘制VBO

 void glDrawArrays( GLenum mode,  GLint first,  GLsizei count);
 //参考VA中描述
 //所不同的是数据现在在缓冲区之中，而不是VA所指向的pointer数组中了

 void glDrawElements( GLenum mode,  GLsizei count,  GLenum type,  const GLvoid *indices);
 //参考VA中描述
 //所不同的是indices设置为NULL
 //因为缓冲区类型有一种是GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER(查看glGenBuffers中类型描述)
 //我们会把indices索引值存储在GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER类型的Buffer中，不需要额外的数组了
 //直接用两个缓冲区即可

以上便是旧式OpenGL中实现VBO的API，使用过程如下：

首先创建缓冲区并设置缓冲区类型和填满缓冲区，接着指定缓冲里面是什么(到底存的是位置还是颜色或者是法线)，最后绘制

 static float vertices[][3] = {
     1.0f, 0.0f, 0.0f,
     0.0f, 1.0f, 0.0f,
     -1.0f, 0.0f, 0.0f
 };

 static float colors[][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
 };

 void renderScene()
 {
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

     glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
     glLoadIdentity();
     glTranslatef(0.0f, 0.0f, -5.0f);

     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //创建VBO(一般放在初始化函数中)
     GLuint vertexBufferID, colorBufferID;
     glGenBuffers(1, &vertexBufferID);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexBufferID);
     glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
     glGenBuffers(1, &colorBufferID);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorBufferID);
     glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(colors), colors, GL_STATIC_DRAW);

     //开启VBO模式并设置VBO该怎么解析
     glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
     glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertexBufferID);
     glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, 0);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colorBufferID);
     glColorPointer(4, GL_FLOAT, 0, 0);

     //绘制
     glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

     //绘制完成之后关闭VBO状态
     //将glBindBuffer设置为0,使得后续glVertexPointer类似函数起到VA的作用
     glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
     glDisableClientState(GL_COLOR_ARRAY);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 }

• Core Profile VBO

（1）创建VBO

参考Legacy VBO中内容，二者是一样的

（2）开启/关闭VBO

 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 void glEnableVertexAttribArray( GLuint   index);
 void glDisableVertexAttribArray( GLuint   index);
 //开启和关闭一个通用的缓冲区对象
 //参数描述
 //index 缓冲区对象索引值

 void glVertexAttribPointer( GLuint   index,
                                               GLint            size,
                                               GLenum           type,
                                               GLboolean        normalized,
                                               GLsizei          stride,
                                               const GLvoid *   pointer
                                               );
 //设置如何解析缓冲区中的数据
 //参数描述
 //index             当前操作的缓冲区对象索引值
 //size              数据的维度是2D/3D/4D
 //type              数据类型 GL_INT /GL_FLOAT
 //normalized    是否已经单位化
 //stride                数据间距
 //pointer           参考Legacy VBO中解释(在glBindBuffer未开启时是指针开启后是索引值)

(3)绘制

参考Legacy VBO中内容，二者是一样的

以上便是Core Profile 下的VBO，使用方式如下：

首先创建VBO对象，接着开启VBO并且用来说明VBO中数据是什么样组织的(但是并没有说明数据是顶点位置、顶点颜色还是法线)，这一点与Legacy VBO不同，因为它的说明部分(哪个VBO存储着位置、哪个VBO存储着颜色、哪个VBO存储着法线等)是在着色语言Shader中指明的，最后还是使用同样的API绘制：

 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 GLfloat vVerts[] = { -0.5f, 0.0f, 0.0f,
 0.5f, 0.0f, 0.0f,
 0.0f, 0.5f, 0.0f };

 GLfloat vColors [] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,
 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f };
 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////

 void RenderWidget::paintGL()
 {
     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //生成VBO
     glGenBuffers(1, &_vertexBuffer);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _vertexBuffer);
     glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vVerts), vVerts, GL_STATIC_DRAW);

     glGenBuffers(1, &_colorBuffer);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _colorBuffer);
     glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vColors), vColors, GL_STATIC_DRAW);

     setShaders();

     //开启VBO并设置VBO里面存储的数据模式
     glEnableVertexAttribArray(0);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _vertexBuffer);
     glVertexAttribPointer(
         0,
         3,
         GL_FLOAT,
         GL_FALSE,
         0,
         (void*)0
         );
     glEnableVertexAttribArray(1);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _colorBuffer);
     glVertexAttribPointer(
         1,
         4,
         GL_FLOAT,
         GL_FALSE,
         0,
         (void*)0
         );

     //绘制VBO
     glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);

     //关闭VBO
     glDisableVertexAttribArray(1);
     glDisableVertexAttribArray(0);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
 }

Shader部分 ：

顶点Shader

 #version 330
 layout(location = 0) in vec4 vertex;
 layout(location = 1) in vec4 color;
 out vec4 inFragColor;

 void main( void )
 {
     gl_Position = vertex;
     inFragColor = color;
 }

片元Shader

 #version 330
 in vec4 inFragColor;
 out vec4 outFragColor;

 void main( void )
 {
     outFragColor = inFragColor;
 }

通过顶点Shader可以知道索引值为0的VBO解释为顶点位置，它传给gl_Position，索引值为1的VBO解释为顶点的颜色

• VAO API

VAO的介绍可以参考 <<AB是一家?VAO与VBO>> 

(1)初始化

 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 //初始化VAO

 void glGenVertexArrays(GLsizei n,  GLuint *arrays);
 //创建VAO ID
 //参数描述
 //n                 产生VAO ID的数量
 //arrays                    保存VAO ID的数组

 void glBindVertexArray(GLuint array);
 //设置当前操作的VAO对象
 //参数描述
 //array              VAO的ID

(2)开启/关闭VAO

VAO的开启当使用glBindVertexArray时自动开启，使用glBindVertexArray(0)，传入一个0值可以视为将VAO关闭

设置VAO的过程就是调用VBO中(2)的过程

(3) 绘制

同VBO中绘制(绘制之前先启用VAO)

以上就是VAO涉及到的API，使用过程如下：

首先创建VAO，接着设置VAO（在调用VBO的数据设置过程中VAO自动完成了设置），最后开启VAO并绘制：

 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 GLfloat vVerts[] = { -0.5f, 0.0f, 0.0f,
 0.5f, 0.0f, 0.0f,
 0.0f, 0.5f, 0.0f };

 GLfloat vColors [] = { 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f,
 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,
 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f };
 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////

 void RenderWidget::paintGL()
 {
     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //生成VBO
     glGenBuffers(1, &_vertexBuffer);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _vertexBuffer);
     glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vVerts), vVerts, GL_STATIC_DRAW);

     glGenBuffers(1, &_colorBuffer);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _colorBuffer);
     glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vColors), vColors, GL_STATIC_DRAW);

     setShaders();


     //初始化VAO
     GLuint vaoBuffer;
     glGenVertexArrays(1, &vaoBuffer);
     glBindVertexArray(vaoBuffer);

     //通过设置VBO里面存储的数据模式完成VAO设置
     glEnableVertexAttribArray(0);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _vertexBuffer);
     glVertexAttribPointer(
         0,
         3,
         GL_FLOAT,
         GL_FALSE,
         0,
         (void*)0
         );
     glEnableVertexAttribArray(1);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, _colorBuffer);
     glVertexAttribPointer(
         1,
         4,
         GL_FLOAT,
         GL_FALSE,
         0,
         (void*)0
         );
     glBindVertexArray(0);
     glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
     //上述所有的代码在初始化函数中调用
     //只有绘制代码在渲染函数中调用
     //使用VAO绘制
     glBindVertexArray(vaoBuffer);
     glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
     glBindVertexArray(0);
 }