[教學視頻]計算機圖形學基礎 -在線學習教程
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OpenGL Vertex Buffer Objects(VBOs)
Vertex Buffer Objects(VBOs)是一組保存在顯存中的數據，這些數據可以是頂點，頂點顏色，頂點法線，頂點索引或貼圖座標等等。由於這些數據都是保存在顯存中的，而且可以隨時修改數據或整塊替換數據，這樣就極大的提高了顯卡的工作效率和渲染的速度。VBO的概念類似於D3D中的頂點緩衝和索引緩衝的概念。這篇文章將通過實際的例子來說明在openGL中如何使用VBOs，並且和使用傳統的glVertex()函數定義頂點和使用glCallList()函數進行比較。
現在要渲染一個模型，首先定義該模型的頂點數組。
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struct myVertex { GLfloat x,y,z; // vertex GLfloat nx,ny,nz; // noraml }; |
這裏定義了一個結構體數據，包括頂點和法線，它們都是浮點型的，所以該結構體一共佔用4*6=24字節的空間。有了頂點結構體後，爲了提供頂點間連接的信息，我們還需要定義索引數組。
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myVertex *vertexData; GLuint *indexData; |
這裏使用無符號的整型定義了一個定點數組的指針，myVertex *vertexData是用我們定義的頂點結構體定義了一個頂點數據指針。在使用VBO之前，我們先將數據初始化到頂點數組和索引數組中。假設現在頂點數據和索引數組都有數據，現在就可以使用VBO了。使用VBO和使用其他openGL的一些對象差不多，使用前都要先申請和創建。使用VBO也要先創建對象。
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GLuint BufferName[2]; glGenBuffers(2, BufferName); |
爲了將頂點數據和索引數據能放到對應的緩存中，這裏定義了一個保存兩個緩存id的BufferName數組。然後使用glGenBuffers()函數申請2個緩存id。申請到id後立即爲要使用的緩存分配空間和初始化。
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glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, BufferName[0]); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, vertexSize, vertexData, GL_STATIC_DRAW);
glVertexPointer(3, GL_FLOAT,24,0); glNormalPointer(GL_FLOAT, 24, (GLvoid*)12); |
上面的代碼中，glBindBuffer表示綁定一個要使用的buffer對象，該函數有2個參數，該函數的原型爲
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void glBindBuffer(GLenum target, GLuint buffer);
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參數target表示buffer的類型，參數buffer表示id。第一個buffer裏要保存頂點數據，所以指定爲GL_ARRAY_BUFFER爲即可。綁定完一個buffer對象後，然後讓這個buffer關聯到數據上。這裏使用函數glBufferData該函數爲綁定的buffer指定要放入的數據，它的原型爲
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void glBufferData(GLenum target, GLsizeiptr size, const GLvoid* data, GLenum usage); |
同樣參數target表示使用的buffer的類型， size的類型是GLsizeiptr，該類型表示一個指向size的一個指針，在使用之前，先要求得放入buffer中數據的大小。
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GLsizeiptr vertexSize = number_of_vertex * sizeof(myVertex); |
可以通過上面的代碼簡單的求出頂點數據共佔用的顯存空間。data表示要放到該buffer中的頂點數組的指針，usage表示用法，這裏指定爲GL_STATIC_DRAW表示該buffer只能修改一次，但可多次讀取。
現在已經在頂點緩存中放入了頂點數據，但是顯卡是不知道這些數據中哪些是頂點，哪些是法線等等。於是我們還要告訴顯卡哪些數據是用來幹什麼的。同樣openGL中提供了glVertexPointer和glNormalPointer分別來管理不同的數據。於是我們看了上面這樣的代碼。
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glVertexPointer(3, GL_FLOAT,24,0); glNormalPointer(GL_FLOAT, 24, (GLvoid*)12); |
函數glVertexPointer中，第一個參數表示頂點的維數，比如2維，3維或4維。第二個參數表示頂點的類型，第三個參數表示每隔多少字節頂點數據開始重複，最後一個參數表示頂點開始位置的偏移。由於我們頂點每個是24字節，並且連續保存在顯存中，於是每隔24字節就開始重複。函數glNormalPointer中，第一個參數表示法線的數據類型，第二參數還是表示每隔多少字節開始重複，最後一個參數表示法線開始位置的偏移量。由於在頂點數據中前12字節是頂點座標，後12個字節纔是法線，於是法線數據開發的偏移量就是12個字節。我們可以通過下面的圖清楚的看到這些數據之間的關係。
Fig1 頂點數據在顯存中的存儲
頂點數據處理完後，接下來就是頂點索引數據了。和頂點數據一樣，要使用索引緩存，也要先綁定索引到buffer中。
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glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, BufferName[1]); glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indexSize, indexData, GL_STATIC_DRAW); |
使用索引緩存的話，在glBindBuffer函數中，target就要選擇GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER，然後綁定到第二個buffer。之後同樣用函數glBufferData將索引數據放到buffer中。這裏的indexSize也是Glsizeiptr類型。
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GLsizeiptr indexSize = number_of_face*3*sizeof(GLuint); |
上面的代碼可以求出索引緩存的大小，由於mesh的一個三角形使用3個頂點索引，所以索引緩存的大小是三角形的個數乘以3再乘以索引數據類型所佔的字節數。
有了所有這些數據後，最後在渲染的時候，我們就可以使用函數glDrawElements繪製對象了。
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glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glDrawElements(GL_TRIANGLES, number_of_face*3, GL_UNSIGNED_INT, 0);
glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY); |
繪製前開開啓客戶端處理功能。函數glDrawElements中，第一個參數表示索引那種圖元來連接。第二個參數表示要渲染多少個這種圖元，第三個參數表示索引的數據類型，最後一個參數表示開始索引開始位置的偏移量。
Fig2 渲染的模型
在Fig2中可以看到渲染的一個模型，該模型的頂點數爲219483個，三角形數爲435667個。要渲染這樣一個頂點數有20萬，三角形數有40萬的模型來說，如果用傳統的glVertex函數來設置頂點的話，渲染一幀的畫面就要大約調用該函數3*40=120萬次，如果要達到30FPS的話，那麼每秒要調用函數大約3*40*30 =3600萬次，這樣多的函數調用次數相當耗時。
Fig3 各種渲染方法幀數對比
現在爲了對比進行試驗，試驗用電腦配置採用Inter Core2 6600處理器，2G內存和NVIDIA GeForce8600GT顯卡。 試驗的結果可以從Fig3中看到，縱軸表示幀數。 實際試驗中發現，使用glVertex函數渲染方法，平均只能達到1FPS，這遠遠低於實時渲染的要求。爲了提高性能，也可以使用Display List，在openGL中可以使用glGenList，glNewList和glCallList函數，在同樣環境下運行程序，渲染幀數有了明顯改善，達到平均16FPS的水平，雖然和採用glVertex的方法比性能提高了16倍，但是仍然達不到實時渲染的要求。最後採用VBO的方法，在相同環境下運行程序，這次幀數到達了60FPS，約爲採用Display List方法的4倍，完全可以達到實時渲染的要求。從試驗中可以看到，採用VBO能夠明顯提高性能。
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