OpenGL缓冲区对象之UBO
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概述
UBO(Uniform Buffer Object)是用来存储着色语言中Uniform类型变量的缓冲区对象，使用UBO可以让uniform变量在不同的着色语言程序中实现共用，也可以在着色语言程序中实现uniform类型变量的设置与更新。
提到UBO就必须要提到着色语言GLSL中的Uniform Blocks，它将众多的Uniform类型的变量集中在一起进行统一的管理，对于需要大量Uniform类型变量的程序可以显著地提高性能。
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优势
相比传统设置单个uniform类型变量的方式，ubo有着以下一些特点：
- 可以通过切换不同的UBO绑定迅速更新程序中的uniform类型变量的值（在单一着色语言程序中）
- 可以存储更多的uniform类型变量
- 可以在不同的着色语言程序中通过更新UBO中的数据实现所有uniform类型变量的更新
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使用
UBO必须配合Uniform Block一起使用，Uniform Block的定义和C/C++中的struct很类似。Uniform Block定义的语法如下：
storage_qualifier block_name
{
<define members here>
} instance_name;
//定义MatrixBlock Uniform Block
uniform MatrixBlock
{
mat4 projection;
mat4 modelview;
} matrices;
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关联UBO和Uniform Block
当Uniform Block在着色语言程序中链接之后，会在着色语言中生成很多个绑定索引值，通过这些索引可以找到Uniform Block。获取Uniform Block可以使用如下的API：
GLuint glGetUniformBlockIndex( GLuint program, const char *uniformBlockName );
参数中uniformBlockName指的是着色语言程序中的Uniform Block（上文中的MatrixBlock）
获取Uniform Block index的目的是为了使得它和uniformBlock ID值进行绑定，这个Uniform Block的ID值存放在OpenGL Context中，通过它可以作为连接Uniform Block和UBO的桥梁：（通过把Uniform Block和UBO绑定到相同的Binding points（ID）上实现UBO和Uniform Block 的互动）
将Uniform Block 的索引值绑定到binding points需要使用下面的方式：
void glUniformBlockBinding(GLuint program, GLuint uBlockIndex, GLuint uBlockBinding);
其中uBlockIndex是前面通过glGetUniformBlockIndex得到的索引值；uBlockBinding是传入的Binding point值
通过以上两个函数可以完成上面示意图中的左边部分，右边部分的实现通过下面的API完成：
1.glGenBuffers生成缓冲区对象，需要注意的是要创建GL_UNIFORM_BUFFER
2.glBindBuffer绑定GL_UNIFROM_BUFFER
3.glBufferData传入缓冲区对象存储的内容
4.glBindBufferBase来设置缓冲区与binding point的绑定
void glBindBufferBase(GLenum target, GLuint bindingPoint, GLuint bufferName);target的取值：GL_UNIFORM_BUFFER
bindingPoint：必须和glUniformBlockBinding中的uBlockBinding值一样，这样就让Block Uniform和Uniform Buffer连接起来
bufferName：通过glGenBuffers生成的ID值
整个设置绑定的过程如下所示：
// 需要注意的是binding point的值必须小于GL_MAX_UNIFORM_BUFFER_BINDINGS
GLuint bindingPoint = 1;
GLuint buffer;
GLuint blockIndex;
//复制到缓冲区存储空间的值
float myFloats[8] = {1.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.4, 0.0, 0.0, 1.0};
//获取Uniform Block的索引值
blockIndex = glGetUniformBlockIndex(p, "ColorBlock");
//将Uniform Block的索引值和binding point关联
glUniformBlockBinding(p, blockIndex, bindingPoint);
//生成UBO
glGenBuffers(1, &buffer);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, buffer);
//设置UBO存储的数据（用来给Uniform Block中变量赋值）
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(myFloats), myFloats, GL_DYNAMIC_DRAW);
//将UBO与同样的binding point关联
glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, bindingPoint, buffer);
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设置和更新Uniform Block
假设我们定义了如下的Uniform Block（具体内容见后面分析）
layout (std140) uniform ColorBlock {
vec4 diffuse;
vec4 ambient;
};
为了给diffuse和ambient变量设置值，最关键的地方是我们需要获得这些变量在UBO中相对于UBO存储位置的偏移量，可以通过如下的命令设置：
void glGetActiveUniformBlockiv(GLuint program, GLuint uBlockIndex, GLenum pname, GLint *params);查询Uniform Block的相关信息 参数：<p>program：当前链接好的着色语言程序；</p><p>uBlockIndex：Block Uniform的索引值；</p><p>pname：GL_UNIFORM_BLOCK_ACTIVE_UNIFORMS(查询Block中有多少个Uniform变量)；<code>GL_UNIFORM_BLOCK_ACTIVE_UNIFORM_INDICES</code>（获取Block中uniform的索引值）</p><p>params：获取得到的结果</p>
当我们获得了Block Uniform中某个uniform的索引值之后，可以通过glGetActiveUniformsiv来获取uniform数据：
void glGetActiveUniformsiv(GLuint program, GLsizei ucount, const GLuint *uIndices, GLenum pname, GLint *params); 参数： ucount：索引值的个数 uindices：索引值数组 pname：我们需要获取的内容：<code>GL_UNIFORM_TYPE</code>, <code>GL_UNIFORM_OFFSET</code>, <code>GL_UNIFORM_SIZE</code>, <code>GL_UNIFORM_ARRAY_STRIDE</code>, <code>GL_UNIFORM_MATRIX_STRIDE</code>. params：获取得到的结果当获取到Uniform在Uniform Block中的偏移量之后，我们可以利用glBufferSubData来更新UBO中的数据，这样就实现了设置和修改Uniform Block中相应变量的值
void glBufferSubData( GLenum target, GLintptr offset, GLsizeiptr size, const GLvoid * data);
例如对于上面我们的ColorBlock，通过查询我们可以看到它占用的空间：
ColorBlock
Size 32
Block binding point: 0
Buffer bound to binding point: 0
{
ambient
GL_FLOAT_VEC4
offset: 16
size: 16
diffuse
GL_FLOAT_VEC4
offset: 0
size: 16
}
于是，当我们需要更新ambient的数据时，我们可以这样去做：
float color[4] = {0.3, 0.0, 0.0, 1.0};
GLuint offset = 16;
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, buffer);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, offset , sizeof(color), color);
当我们修改一下ColorBlock中的内容：
layout (std140) uniform ColorBlock2 {
vec3 diffuse;
vec3 ambient;
};
再次查询ColorBlock占用的空间：
ColorBlock2
Size 28
Block binding point: 0
Buffer bound to binding point: 0
{
ambient
GL_FLOAT_VEC3
<span style="color:#FF0000;">offset: 16</span>
size: 12
diffuse
GL_FLOAT_VEC3
offset: 0
<span style="color:#FF0000;">size: 12</span>
}
发现diffuse占用的空间是12个字节，但是ambient却是从16个字节处开始的。这里面就涉及到一个字节对齐的概念，前面我们声明Uniform Block的时候都使用了一个标识符std140，指的是GLSL 1.4版本的时候指定的一个字节对齐的规范，具体的内容如下表：
| 变量类型 |
变量大小/偏移量 |
| 标量数据类型（bool,int,uint,float） |
基于基本机器类型的标量值大小 （例如，sizeof(GLfloat)） |
| 二元向量(bvec2,ivec2,uvec2,vec2) |
标量类型大小的两倍 |
| 三元向量(bvec3,ivec3,uvec3,vec3) |
标量类型大小的四倍 |
| 三元向量(bvec4,ivec4,uvec4,vec4) |
标量类型大小的四倍 |
| 标量的数组或向量 |
数组中每个元素大小是基本类型的大小，偏移量是其索引值（从0开始）与元素大小的乘积。整个数组必须是vec4类型的大小的整数倍（不足将在尾部填充）。 |
| 一个或多个C列R行列主序矩阵组成的数组 |
以C个向量（每个有R个元素）组成的数组形式存储。会像其他数组一样填充。 如果变量是M个列主序矩阵的数组，那么它的存储形式是：M*C个向量（每个有R个元素）组成的数组。 |
| 一个或多个R行C列的行主序矩阵组成的数组 |
以R个向量（每个有C个元素）组成的数组。默认像其他数组一样填充。 如果变量是M个行主序矩阵组成的数组，则存储形式是M*R个向量（每个有C个元素）组成的数组。 |
| 单个结构体或多个结构体组成的数组 |
单个结构体成员的偏移量和大小可以由前面的规则计算出。结构大小总是vec4大小的整数倍（不足在后面补齐）。 由结构组成的数组，偏移量的计算需要考虑单个结构的对齐和补齐。结构的成员偏移量由前面的规则计算出。 |
也就是说我们有两种方式来更新这些Uniform Block中的Uniform变量的值：
1.使用OpenGL中的查询函数来查询Uniform Block中Uniform变量在UBO中的偏移量，然后使用glBufferSubData更新之；
2.使用std140之后直接寻找到uniform在UBO中的偏移量（由于它是一个标准，因此具体大小可以自己计算），然后使用glBufferSubData更新之。
下面使用一个具体的例子来总结UBO的使用方法：（使用FreeGlut）
#pragma comment(lib, "glew32.lib")
#pragma comment(lib, "freeglut.lib")
#include <gl/glew.h>
#include <gl/freeglut.h>
#include <iostream>
#include "glshadertools.h"
GLuint programID;
GLuint uboID;
GLuint bindingPoint = 1;
GLuint ubIndex;
GLfloat color1[] = {1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f};
GLfloat color2[] = {0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f};
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
GLfloat xRot;
GLfloat yRot;
GLfloat zoom = -10.0f;
bool mouseLeftDown;
float mouseX, mouseY;
void init()
{
programID = gltLoadShaderProgram("hello.vert", "hello.frag");
ubIndex = glGetUniformBlockIndex(programID, "ColorBlock");
glUniformBlockBinding(programID, ubIndex, bindingPoint);
GLint bufferSize = 0;
glGetActiveUniformBlockiv(programID, ubIndex, GL_UNIFORM_BLOCK_DATA_SIZE, &bufferSize);
glGenBuffers(1, &uboID);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboID);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, bufferSize, NULL, GL_DYNAMIC_READ);
glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, bindingPoint, uboID);
//寻找每一个uniform变量的偏移值
const GLchar *names[] = {"color1","color2"};
GLuint indices[2];
glGetUniformIndices(programID, 2, names, indices);
GLint offset[2];
glGetActiveUniformsiv(programID, 4, indices, GL_UNIFORM_OFFSET, offset);
//拷贝数据到UBO中(给Uniform Block中的color1和color2变量赋值)
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, offset[0], 4*sizeof(float), color1);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, offset[1], 4*sizeof(float), color2);
glUseProgram(programID);
}
void reshape(int w, int h)
{
glViewport(0, 0, (GLsizei)w, (GLsizei)h);
glMatrixMode(GL_PROJECTION);
glLoadIdentity();
gluPerspective(60.0f, (float)(w)/h, 0.1f, 1000.0f);
glMatrixMode(GL_MODELVIEW);
glLoadIdentity();
}
void display()
{
glClearColor(0, 0, 0, 0);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
glColor3f(1.0f, 0.0f, 1.0f);
glLoadIdentity();
glTranslatef(0, 0, zoom);
glRotatef(xRot, 1, 0, 0); // pitch
glRotatef(yRot, 0, 1, 0); // heading
glutSolidTeapot(2.0);
glutSwapBuffers();
}
void mouse(int button, int state, int x, int y)
{
mouseX = (float)x;
mouseY = (float)y;
switch (button)
{
case GLUT_LEFT_BUTTON:
{
if (state == GLUT_DOWN) {
mouseLeftDown = true;
} else if (state == GLUT_UP) {
mouseLeftDown = false;
}
}
break;
case GLUT_RIGHT_BUTTON:
{
if (state == GLUT_DOWN) {
}
}
break;
default:
break;
}
}
void mouseMove(int x, int y)
{
if(mouseLeftDown)
{
yRot += (x - mouseX);
xRot += (y - mouseY);
mouseX = (float)x;
mouseY = (float)y;
}
glutPostRedisplay();
}
void mouseWheel(int wheel, int direction, int x, int y)
{
switch (direction)
{
case 1: //means wheel up
{
zoom -= 1.0f;
}
break;
case -1: //means wheel down
{
zoom += 1.0f;
}
break;
default:
break;
}
glutPostRedisplay();
}
void keyboard(unsigned char key, int x, int y)
{
switch(key)
{
case 27: // ESCAPE
exit(0);
break;
default:
break;
}
}
void idle()
{
glutPostRedisplay();
}
int main(int argc, char** argv)
{
glutInit(&argc, argv);
glutInitDisplayMode(GLUT_DOUBLE | GLUT_RGBA | GLUT_DEPTH);
glutInitWindowSize(640, 480);
glutCreateWindow(argv[0]);
if (glewInit()) {
std::cerr << "Unable to initialize GLEW ... exiting" << std::endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
init();
glutDisplayFunc(display);
glutReshapeFunc(reshape);
glutMouseFunc(mouse);
glutMotionFunc(mouseMove);
glutMouseWheelFunc(mouseWheel);
glutKeyboardFunc(keyboard);
glutIdleFunc(idle);
glutMainLoop();
}
程序简单地将两个颜色值相加作为最终输出片元的颜色：
顶点Shader：
#version 330
void main()
{
gl_Position = ftransform();
}
片元shader：
#version 330
layout (std140) uniform ColorBlock
{
vec4 color1;
vec4 color2;
};
void main()
{
gl_FragColor = color1 + color2;
}