Vertex Atrributes

一、Vertex Attributes简介

       Vertex属性即顶点数据，它指定了每个顶点的各种属性数据。在OpenGL ES1.1中，顶点属性有四个预定义的名字：position（位置）, normal（法线）, color（颜色）, 和 texture coordinates（纹理坐标）。在OpenGL ES2.0中，用户必须定义“顶点属性的名字”。

二、常量顶点属性（Constant Vertex Attribute）

     常量顶点属性对所有顶点都是一样的。因此只需要指定一个值就可以应用于所有顶点。一般很少使用。其设置函数有：

 

  

 void glVertexAttrib1f(GLuint index, GLfloat x);
 void glVertexAttrib2f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y);
 void glVertexAttrib3f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z);
 void glVertexAttrib4f(GLuint index, GLfloat x, GLfloat y, GLfloat z,GLfloat w);
 void glVertexAttrib1fv(GLuint index, const GLfloat *values);
 void glVertexAttrib2fv(GLuint index, const GLfloat *values);
 void glVertexAttrib3fv(GLuint index, const GLfloat *values);
 void glVertexAttrib4fv(GLuint index, const GLfloat *values);

 

三、 如何装载顶点数据？（Vertex Arrays）

       Vertex Array（顶点数组）：是一个存储在应用程序空间（Client）中的内存buffer，它存储了每个顶点的属性数据。    

       如何把顶点数据组的数据传递给GPU呢？

        void glVertexAttribPointer(GLuint index,

                                                GLint size,     //每个属性元素个数有效值1-4（x,y,z,w）
                                                GLenum type,
                                                GLboolean normalized,
                                                GLsizei stride, //如果数据连续存放，则为0
                                                const void *ptr)  //顶点数组指针

       举例如下：

 

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

 // Set the viewport
 glViewport ( 0, 0, esContext->width, esContext->height );

 // Clear the color buffer
 glClear ( GL_COLOR_BUFFER_BIT );

 // Use the program object
 glUseProgram (programObject );

 // Load the vertex data
 glVertexAttribPointer ( 0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, vVertices );

 

四、顶点属性数据存储方式

1.一个顶点的所有属性存储在一起（Array of Structures）

       如下图所示，顶点的位置(x,y,z)、法线(x,y,z)和两个纹理坐标(s,t)存储在一起，如下图所示：

例子代码如下（当然，此代码在CPU上运动）：

 #define VERTEX_POS_SIZE         3 // x, y and z
 #define VERTEX_NORMAL_SIZE      3 // x, y and z
 #define VERTEX_TEXCOORD0_SIZE   2 // s and t
 #define VERTEX_TEXCOORD1_SIZE   2 // s and t

 #define VERTEX_POS_INDX         0
 #define VERTEX_NORMAL_INDX      1
 #define VERTEX_TEXCOORD0_INDX   2
 #define VERTEX_TEXCOORD1_INDX   3

 // the following 4 defines are used to determine location of various
 // attributes if vertex data is are stored as an array of structures
 #define VERTEX_POS_OFFSET       0
 #define VERTEX_NORMAL_OFFSET    3
 #define VERTEX_TEXCOORD0_OFFSET 6
 #define VERTEX_TEXCOORD1_OFFSET 8

 #define VERTEX_ATTRIB_SIZE  VERTEX_POS_SIZE + \
                             VERTEX_NORMAL_SIZE + \
                             VERTEX_TEXCOORD0_SIZE + \
                             VERTEX_TEXCOORD1_SIZE

 float *p = malloc(numVertices * VERTEX_ATTRIB_SIZE
                   * sizeof(float));

 // position is vertex attribute 0
 glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX, VERTEX_POS_SIZE,
                       GL_FLOAT, GL_FALSE,
                       VERTEX_ATTRIB_SIZE * sizeof(float),
                       p+VERTEX_POS_OFFSET);

 // normal is vertex attribute 1
 glVertexAttribPointer(VERTEX_NORMAL_INDX, VERTEX_NORMAL_SIZE,
                       GL_FLOAT, GL_FALSE,
                       VERTEX_ATTRIB_SIZE * sizeof(float),
                       (p + VERTEX_NORMAL_OFFSET));

 // texture coordinate 0 is vertex attribute 2
 glVertexAttribPointer(VERTEX_TEXCOORD0_INDX, VERTEX_TEXCOORD0_SIZE,
                       GL_FLOAT, GL_FALSE,
                       VERTEX_ATTRIB_SIZE * sizeof(float),
                       (p + VERTEX_TEXCOORD0_OFFSET));

 // texture coordinate 1 is vertex attribute 3
 glVertexAttribPointer(VERTEX_TEXCOORD1_INDX, VERTEX_TEXCOORD1_SIZE,
                       GL_FLOAT, GL_FALSE,
                       VERTEX_ATTRIB_SIZE * sizeof(float),
                       (p + VERTEX_TEXCOORD1_OFFSET));

2. 顶点的每个属性单独存储（Structure of Arrays）

例子代码如下（当然，此代码在CPU上运动）：

 #define VERTEX_POS_SIZE         3 // x, y and z
 #define VERTEX_NORMAL_SIZE      3 // x, y and z
 #define VERTEX_TEXCOORD0_SIZE   2 // s and t
 #define VERTEX_TEXCOORD1_SIZE   2 // s and t

 #define VERTEX_POS_INDX         0
 #define VERTEX_NORMAL_INDX      1
 #define VERTEX_TEXCOORD0_INDX   2
 #define VERTEX_TEXCOORD1_INDX   3


 #define VERTEX_ATTRIB_SIZE  VERTEX_POS_SIZE + \
                             VERTEX_NORMAL_SIZE + \
                             VERTEX_TEXCOORD0_SIZE + \
                             VERTEX_TEXCOORD1_SIZE

 float *position  = malloc(numVertices * VERTEX_POS_SIZE *
                           sizeof(float));
 float *normal    = malloc(numVertices * VERTEX_NORMAL_SIZE *
                           sizeof(float));
 float *texcoord0 = malloc(numVertices * VERTEX_TEXCOORD0_SIZE *
                           sizeof(float));
 float *texcoord1 = malloc(numVertices * VERTEX_TEXCOORD1_SIZE *
                           sizeof(float));

 // position is vertex attribute 0
 glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX, VERTEX_POS_SIZE,
                       GL_FLOAT, GL_FALSE,
                       VERTEX_POS_SIZE * sizeof(float), position);

 // normal is vertex attribute 1
 glVertexAttribPointer(VERTEX_NORMAL_INDX, VERTEX_NORMAL_SIZE,
                       GL_FLOAT, GL_FALSE,
                       VERTEX_NORMAL_SIZE * sizeof(float), normal);

 // texture coordinate 0 is vertex attribute 2
 glVertexAttribPointer(VERTEX_TEXCOORD0_INDX, VERTEX_TEXCOORD0_SIZE,
                       GL_FLOAT, GL_FALSE, VERTEX_TEXCOORD0_SIZE *
                       sizeof(float), texcoord0);

 // texture coordinate 1 is vertex attribute 3
 glVertexAttribPointer(VERTEX_TEXCOORD1_INDX, VERTEX_TEXCOORD1_SIZE,
                       GL_FLOAT, GL_FALSE,
                       VERTEX_TEXCOORD1_SIZE * sizeof(float),  //也可为0，因为数据是紧接着存放的
                       texcoord1);

3. 哪种顶点属性数据存储方式在GPU上性能更好？

       答案是：把一个顶点的所有属性放在一起（array of structures）。其原因是每个顶点的属性数据以连续的方式读取，使内存访问效率更高。其缺点是，如果要修改其中部分属性数据，将导致整个属性buffer全部重新装载，解决此问题的方法是把这些需要动态修改的属性数据放在单独的buffer中。

五、 顶点属性数据类型优化

       顶点属性数据类型不会影响在GPU上每个顶点占用的内存，但在Render a Frame时，它影响CPU与GPU之间的内存带宽。推荐尽量使用GL_HALF_FLOAT_OES。

六、glVertexAttribPointer中的归一化参数

       如果normalized为GL_FALSE：则直接把数据转换为GLfloat，因为Vertex Shader内部把顶点属性当作GLfloat（32位）来进行存储。

       GL_BYTE, GL_SHORT or GL_FIXED被归一化为[-1，1]；GL_UNSIGNED_BYTE or GL_UNSIGNED_SHORT被归一化为[0.0，1.0]。具体转换公式为：

 

 

七、选择常量或顶点数组Vertex Attribute

可通过以下函数来Enable或Disable顶点数组（Vertex Array）。

void glEnableVertexAttribArray(GLuint index);
void glDisableVertexAttribArray(GLuint index);

其关系如下图所示：

 八、申明attribute变量（在Vertex Shader中）

      Attribute变量的数据类型只能为：float, vec2,vec3, vec4, mat2, mat3, and mat4；Attribute变量不能为数组或结构。如下面的申明是错误的：        

 attribute foo_t a_A; // foo_t is a structure
 attribute vec4 a_B[10];

     每个GPU支持GL_MAX_VERTEX_ATTRIBS vec4。float、vec2和vec3也被当作一个vec4来进行存储；mat2、mat3、mat4被分别当作2、3、和4个vec4来进行存储。

九、把“顶点属性索引”绑定到“顶点属性名”

       把“顶点属性索引”绑定到“顶点属性名”有以下两个方法：

       1）OpenGL ES 2.0把“顶点属性索引”绑定到“顶点属性名”，当link program时，OpengGL ES 2.0执行此绑定。然后应用程序通过glGetAttribLocation（失败时返回-1）获取“顶点属性索引”。

 GLint glGetAttribLocation(GLuint program, const GLchar *name)

 

       2）应用程序通过glBindAttribLocation把“顶点属性索引”绑定到“顶点属性名”，glBindAttribLocation在program被link之前执行。

 void glBindAttribLocation(GLuint program, GLuint index,const GLchar *name)

       在link program时，OpenGL ES 2.0对每个顶点属性执行如下操作：

        （1）首先检查属性变量是否被通过glBindAttribLocation绑定了属性索引，如果是，则使用此绑定的属性索引；否则，为之分配一个属性索引。

             在应用程序中，一般使用函数glBindAttribLocation来绑定每个attribute变量的位置，然后用函数glVertexAttribPointer为每个attribute变量赋值。

十、顶点buffer对象（Vertex Buffer Objects）

       顶点数组（Vertex Array）被保存在客户端内存，当执行glDrawArrays 或 glDrawElements时，才把它们从客户端内存copy到图形内存。这样占用了大量的内存带宽，Vertex Buffer Objects允许OpengGL ES2.0应用在高性能的图形内存中分配并cache顶点数据，然后从此图形内存中执行render，这样避免了每次画一个原语都要重发送数据。

       Vertex Buffer Objects有以下两种类型：

       （1）array buffer objects：通过GL_ARRAY_BUFFER标记创建，并存储vertex data。

       （2）element array buffer objects：通过GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER标记创建，并存储indices of a primitive。

       创建和绑定Vertex Buffer Objects例子代码如下：

 void initVertexBufferObjects(vertex_t *vertexBuffer,
                              GLushort *indices,
                              GLuint numVertices, GLuint numIndices
                              GLuint *vboIds)
 {
    glGenBuffers(2, vboIds);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboIds[0]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, numVertices * sizeof(vertex_t),
                 vertexBuffer, GL_STATIC_DRAW); //save vertex attribute data
    // bind buffer object for element indices
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vboIds[1]);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,
                 numIndices * sizeof(GLushort),indices,
                 GL_STATIC_DRAW); // save element indices that make up the primitive
 }

有无Vertex Buffer Object画图例子： 

 #define VERTEX_POS_SIZE 3 // x, y and z
 #define VERTEX_NORMAL_SIZE 3 // x, y and z
 #define VERTEX_TEXCOORD0_SIZE 2 // s and t
 #define VERTEX_POS_INDX 0
 #define VERTEX_NORMAL_INDX 1
 #define VERTEX_TEXCOORD0_INDX 2
 //
 // vertices – pointer to a buffer that contains vertex attribute
 data
 // vtxStride – stride of attribute data / vertex in bytes
 // numIndices – number of indices that make up primitive
 // drawn as triangles
 // indices - pointer to element index buffer.
 //
 void drawPrimitiveWithoutVBOs(GLfloat *vertices, GLint vtxStride,
                               GLint numIndices, GLushort *indices)
 {
    GLfloat *vtxBuf = vertices;
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 0);
    glEnableVertexAttribArray(VERTEX_POS_INDX);
    glEnableVertexAttribArray(VERTEX_NORMAL_INDX);
    glEnableVertexAttribArray{VERTEX_TEXCOORD0_INDX);
    glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX, VERTEX_POS_SIZE,
                          GL_FLOAT, GL_FALSE, vtxStride, vtxBuf);
    vtxBuf += VERTEX_POS_SIZE;
    glVertexAttribPointer(VERTEX_NORMAL_INDX, VERTEX_NORMAL_SIZE,
                          GL_FLOAT, GL_FALSE, vtxStride, vtxBuf);
    vtxBuf += VERTEX_NORMAL_SIZE;
    glVertexAttribPointer(VERTEX_TEXCOORD0_INDX,
                          VERTEX_TEXCOORD0_SIZE, GL_FLOAT,
                          GL_FALSE, vtxStride, vtxBuf);
    glBindAttribLocation(program, VERTEX_POS_INDX, "v_position");
    glBindAttribLocation(program, VERTEX_NORMAL_INDX, "v_normal");
    glBindAttribLocation(program, VERTEX_TEXCOORD0_INDX,"v_texcoord");
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, numIndices, GL_UNSIGNED_SHORT,indices);
 }

 

 void drawPrimitiveWithVBOs(GLint numVertices, GLfloat *vtxBuf,
                            GLint vtxStride, GLint numIndices,
                            GLushort *indices)
 {
    GLuint offset = 0;
    GLuint vboIds[2];
    // vboIds[0] – used to store vertex attribute data
    // vboIds[1] – used to store element indices
    glGenBuffers(2, vboIds);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboIds[0]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, vtxStride * numVertices,
                 vtxBuf, GL_STATIC_DRAW);
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vboIds[1]);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,
                 sizeof(GLushort) * numIndices,
                 indices, GL_STATIC_DRAW);
    glEnableVertexAttribArray(VERTEX_POS_INDX);
    glEnableVertexAttribArray(VERTEX_NORMAL_INDX);
    glEnableVertexAttribArray{VERTEX_TEXCOORD0_INDX);
    glVertexAttribPointer(VERTEX_POS_INDX, VERTEX_POS_SIZE,
                          GL_FLOAT, GL_FALSE, vtxStride,
                          (const void*)offset);
    offset += VERTEX_POS_SIZE * sizeof(GLfloat);
    glVertexAttribPointer(VERTEX_NORMAL_INDX, VERTEX_NORMAL_SIZE,
                          GL_FLOAT, GL_FALSE, vtxStride,
                          (const void*)offset);
    offset += VERTEX_NORMAL_SIZE * sizeof(GLfloat);
    glVertexAttribPointer(VERTEX_TEXCOORD0_INDX,
                          VERTEX_TEXCOORD0_SIZE,
                          GL_FLOAT, GL_FALSE, vtxStride,
                          (const void*)offset);
    glBindAttribLocation(program, VERTEX_POS_INDX, "v_position");
    glBindAttribLocation(program, VERTEX_NORMAL_INDX, "v_normal");
    glBindAttribLocation(program, VERTEX_TEXCOORD0_INDX,"v_texcoord");
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, numIndices, GL_UNSIGNED_SHORT, 0);
    glDeleteBuffers(2, vboIds);
 }