Android OpenGL ES 2.0（七）--- 頂點緩衝區對象

原文鏈接：https://www.learnopengles.com/android-lesson-seven-an-introduction-to-vertex-buffer-objects-vbos/

本文從下面鏈接翻譯過來:

Android Lesson Seven: An Introduction to Vertex Buffer Objects (VBOs)

在這節課中，我們將介紹如何定義和如何去使用
頂點緩衝對象（VBO）。下面是我們要講到的幾點：

1.如何定義頂點緩衝區以及利用頂點緩衝區進行渲染。
2.使用單個緩衝區打包所有的數據(比如位置,顏色，
法線,紋理)與使用多個緩衝區分別保存數據的區別。
3.問題和陷阱，以及如何處理它們。

什麼是頂點緩衝區對象，爲什麼要使用它們？

到目前爲止，我們所有的課程都是將對象數據存儲在客戶端內存中，只有在渲染時將其傳輸到GPU中。沒有大量數據傳輸時，這很好，但隨着我們的場景越來越複雜，會有更多的物體和三角形，這會給CPU和內存增加額外的成本。

我們能做些什麼呢？我們可以使用頂點緩衝對象，而不是每幀從客戶端內存傳輸頂點信息，信息將被傳輸一次，然後渲染器將從該圖形存儲器緩存中得到數據。

前提條件

請閱讀Android OpenGL ES 2.0（一）---入門，介紹如何從客戶端的內存上傳頂點數據。瞭解OpenGL ES如何與頂點數組一起工作對於理解本課至關重要。

更詳細的瞭解客戶端緩衝區

一但瞭解瞭如何使用客戶端內存進行渲染，切換到使用VBO實際上並不太難。其主要的不同在於添加了一個上傳數據到圖形內存的額外步驟，以及渲染時綁定這個緩衝區的額外調用。

本節課將使用四種不同的模式：

客戶端，單獨的緩衝區
客戶端，打包的緩衝
頂點緩衝對象，單獨的緩衝區
頂點緩衝對象，打包的緩衝

無論我們是否使用頂點緩衝對象，我們都需要先將我們的數據存儲在客戶端本地緩衝區。回顧第一課，OpenGL ES是一個本地用C語言實現的native系統庫，而java是運行在Android上的一個虛擬機中。爲了在虛擬機與Native系統之間搭建一座橋樑，我們需要使用一組特殊的緩衝區類來在native堆上分配內存，並使其可供OpenGL訪問：

// Java array.
float[] cubePositions;
...
// Floating-point buffer
final FloatBuffer cubePositionsBuffer;
...
 
// Allocate a direct block of memory on the native heap,
// size in bytes is equal to cubePositions.length * BYTES_PER_FLOAT.
// BYTES_PER_FLOAT is equal to 4, since a float is 32-bits, or 4 bytes.
cubePositionsBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(cubePositions.length * BYTES_PER_FLOAT)
 
// Floats can be in big-endian or little-endian order.
// We want the same as the native platform.
.order(ByteOrder.nativeOrder())
 
// Give us a floating-point view on this byte buffer.
.asFloatBuffer();

將Java堆上數據轉換到native堆上，調用兩個方法就可以：

// Copy data from the Java heap to the native heap.
cubePositionsBuffer.put(cubePositions)
 
// Reset the buffer position to the beginning of the buffer.
.position(0);

緩衝位置的目是什麼？通常，Java沒有爲我們提供一種在內存中使用指針，任意指定位置的方法。然而，設置緩衝區的位置在功能上等同於更改指向內存塊指針的值。通過改變緩衝區的位置，我們可以將緩衝區中任意的內存位置傳遞給OpenGL調用。當我們使用打包的緩衝作業時，這將派上用場。

一但數據存放到native堆上，我們就不需要持有float[]數組了，我們可以讓垃圾回收器清理它。

使用客戶端緩衝區進行渲染非常簡單，我們僅需要啓動對應屬性的頂點素組，並將指針傳遞給我們的數據：

// Pass in the position information
GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);
GLES20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, POSITION_DATA_SIZE,
    GLES20.GL_FLOAT, false, 0, mCubePositions);

glVertexAttribPointer方法的參數說明:

mPositionHandle：着色器程序的位置屬性索引
POSITION_DATA_SIZE：定義這個屬性需要多少個float元素
GL_FLOAT：每個元素的類型
false：定點數據因該標準化嗎？由於我們使用的是浮點數據，因此不適用。
0：跨度，設置0，表示位置應該按照順序讀取。
mCubePositions：指向緩衝區的的指針，包含所有位置數據

使用打包緩衝區(Working with packed buffers)

使用打包緩衝區是非常相似的，替換了每個位置、法線等的緩衝區，現在一個緩衝區將包含所有這些數據。不同點看下面：

使用單緩衝區

positions = X,Y,Z, X, Y, Z, X, Y, Z, …
colors = R, G, B, A, R, G, B, A, …
textureCoordinates = S, T, S, T, S, T, …

使用打包緩衝區

buffer = X, Y, Z, R, G, B, A, S, T, …

使用打包緩衝區的好處是它將會使GPU更高效的渲染，因爲渲染三角形所需的所有信息都位於內存同一塊地方。缺點是，如果我們使用動態數據，更新可能會更困難，更慢。

當我們使用打包緩衝區時，我們需要以下幾種方式更改渲染調用。首先，我們需要告訴OpenGL跨度（stride），定義一個頂點的字節數。

final int stride = (POSITION_DATA_SIZE + NORMAL_DATA_SIZE + TEXTURE_COORDINATE_DATA_SIZE)
    * BYTES_PER_FLOAT;
 
// Pass in the position information
mCubeBuffer.position(0);
GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);
GLES20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, POSITION_DATA_SIZE,
    GLES20.GL_FLOAT, false, stride, mCubeBuffer);
 
// Pass in the normal information
mCubeBuffer.position(POSITION_DATA_SIZE);
GLES20.glEnableVertexAttribArray(mNormalHandle);
GLES20.glVertexAttribPointer(mNormalHandle, NORMAL_DATA_SIZE,
    GLES20.GL_FLOAT, false, stride, mCubeBuffer);
...

這個跨度告訴OpenGL ES下一個頂點的同樣的屬性要再跨多遠才能找到。例如：如果元素0是第一個頂點的開始位置，並且這裏每個頂點有8個元素，然後這個跨度將是8個元素，也就是32個字節。下一個頂點的位置將找到第8個元素，下下個頂點的位置將找到第16個元素，以此類推。

請記住，傳遞給glVertexAttriPointer的跨度單位是字節，而不是元素，因此請記住進行轉換。

注意，當我們從指定位置切換到指定法線時，我們要更改緩衝區的位置(調用position方法)。這是我們之前提到的指針算法，在使用OpengGL ES時使用Java的方式。我們仍然使用同一個緩衝區mCubeBuffer，但是我們告訴OpenGL從位置數據後的第一個元素開始讀取法線信息。我們也告訴OpenGL下一個法線要跨越8個元素（也可以說是32個字節）開始。

Dalvik和本地堆上的內存

如果在native堆上分配大量內存並將其釋放，則遲早會遇到OutOfMemoryError。背後有幾個原因：

您可能認爲通過讓引用超出範圍而自動釋放了內存，但是本地內存似乎需要一些額外的GC週期才能完全清理，如果沒有足夠可用的內存並且尚未釋放本地內存，Dalvik將拋出異常。
本地堆可能會碎片化，調用allocateDirect()將會莫名其妙失敗，儘管似乎有足夠的內存可用。有時它有助於進行較小的分配，釋放它，然後再次嘗試更大的分配。

如何能避免這些問題？除了希望Google在未來的版本中改進Dalvik的行爲之外，並不多。或者通過本地代碼進行分配或預先分配一大塊內存來自行管理堆，並根據此分離緩衝區。

注意：這些信息最初寫於2012年初，現在Android使用了一個名爲ART的不同運行時，它可能在相同程度上不會遇到這些問題。

移動到頂點緩衝區對象

現在我們已經回顧了使用客戶端緩衝區，讓我們繼續討論頂點緩衝區對象！首先，我們需要回顧幾個非常重要的問題：

1. 緩衝區必須創建在一個有效的OpenGL上下文中

這似乎是一個明顯的觀點，但是它僅僅提醒你必須等到onSurfaceCreated()執行，並且你必須注意OpenGL ES調用是在GL線程上完成的。

2. 頂點緩衝區對象使用不當會導致圖形驅動程序崩潰

當你使用頂點緩衝對象時，需要注意傳遞的數據。不當的值將會導致OpenGL ES系統庫或圖形驅動庫本地崩潰。在我的Nexus S上，一些遊戲完全卡在我的手機上或導致手機重啓，因爲在執行這些指令時圖形驅動崩潰了。並非所有的崩潰都會鎖定您的設備，但至少您不會看到“此應用已停止工作”的對話框。您的Activity將在沒有警告的情況下重新啓動，您唯一將獲得信息的方法可能是從日誌中的本地調試進行跟蹤。

將頂點數據上傳到GPU

要上傳數據到GPU，我們需要像以前一樣創建客戶端緩衝區的相同步驟：

...
cubePositionsBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(cubePositions.length * BYTES_PER_FLOAT)
.order(ByteOrder.nativeOrder()).asFloatBuffer();
cubePositionsBuffer.put(cubePositions).position(0);
...

一旦我們有了客戶端緩衝區，我們就可以創建一個頂點緩衝區對象，並使用以下指令將數據從客戶端內存上傳到GPU：

// First, generate as many buffers as we need.
// This will give us the OpenGL handles for these buffers.
final int buffers[] = new int[3];
GLES20.glGenBuffers(3, buffers, 0);
 
// Bind to the buffer. Future commands will affect this buffer specifically.
GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, buffers[0]);
 
// Transfer data from client memory to the buffer.
// We can release the client memory after this call.
GLES20.glBufferData(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, cubePositionsBuffer.capacity() * BYTES_PER_FLOAT,
    cubePositionsBuffer, GLES20.GL_STATIC_DRAW);
 
// IMPORTANT: Unbind from the buffer when we're done with it.
GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, 0);

一旦數據上傳到了OpenGL ES，我們就可以釋放這個客戶端內存，因爲我們不需要再繼續保留它。這是glBufferData的解釋：

GL_ARRAY_BUFFER：這個緩衝區包含頂點數據數組
cubePositionsBuffer.capacity() * BYTES_PER_FLOAT：這個緩衝區因該包含的字節數
cubePositionsBuffer：將要拷貝到這個頂點緩衝區對象的源
GL_STATIC_DRAW：這個緩衝區不會動態更新

我們對glVertexAttribPointer的調用看起來有點兒不同，因爲最後一個參數現在是偏移量而不是指向客戶端內存的指針：

// Pass in the position information
GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, mCubePositionsBufferIdx);
GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);
mGlEs20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, POSITION_DATA_SIZE, GLES20.GL_FLOAT, false, 0, 0);
...

像以前一樣，我們綁定到緩衝區，然後啓用頂點數組。由於緩衝區早已綁定，當從緩衝區讀取數據時，我們僅需要告訴OpenGL開始的偏移。因爲我們使用的特定的緩衝區，我們傳入偏移量0。另請注意，我們使用自定義綁定來調用glVertexAttribPointer，因爲官方SDK缺少此特定函數調用。

一旦我們用緩衝區繪製完成，我們應該解除它：

GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, 0);

當我們不想再保留緩衝區時，我們可以釋放內存：

final int[] buffersToDelete = new int[] { mCubePositionsBufferIdx, mCubeNormalsBufferIdx,
    mCubeTexCoordsBufferIdx };
GLES20.glDeleteBuffers(buffersToDelete.length, buffersToDelete, 0);

打包頂點緩衝區對象

我們還可以使用單個緩衝區打包頂點緩衝區對象的所有頂點數據。打包頂點緩衝區的創建和上面相同，唯一的區別是我們從打包客戶端緩衝區開始。打包緩衝區渲染也是一樣的，除了我們需要傳偏移量，就像在客戶端內存中使用打包緩衝區一樣：

final int stride = (POSITION_DATA_SIZE + NORMAL_DATA_SIZE + TEXTURE_COORDINATE_DATA_SIZE)
    * BYTES_PER_FLOAT;
 
// Pass in the position information
GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, mCubeBufferIdx);
GLES20.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);
mGlEs20.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, POSITION_DATA_SIZE, 
    GLES20.GL_FLOAT, false, stride, 0);
 
// Pass in the normal information
GLES20.glBindBuffer(GLES20.GL_ARRAY_BUFFER, mCubeBufferIdx);
GLES20.glEnableVertexAttribArray(mNormalHandle);
mGlEs20.glVertexAttribPointer(mNormalHandle, NORMAL_DATA_SIZE, 
    GLES20.GL_FLOAT, false, stride, POSITION_DATA_SIZE * BYTES_PER_FLOAT);
...

注意：偏移量需要以字節爲單位指定。與之前一樣解除綁定和刪除緩衝區的相同注意事項也適用。

將頂點數據放到一起

這節課構建了立方體組成的集合，每個維度的立方體數量相同。它將在1x1x1立方體和16x16x16立方體之間構建立方體。由於每個立方體共享相同的法線和紋理數據，因此在初始化客戶端緩衝區時將重複複製此數據。所有立方體都將在同一個緩衝區對象中結束。

您可以查看課程中的代碼並查看使用和不使用VBO，以及使用和不使用打包緩衝區進行渲染的示例。檢查代碼以查看如何處理一下某些操作：

通過runOnUiThread()將事件從OpenGL線程發佈回UI主線程
異步生成頂點數據
處理內存溢出異常
我們移除了glEnable(GL_TEXTURE_2D)的調用，因爲它實際在OpenGL ES2.0是一個無效枚舉。這是以前的固定寫法延續下來的，在OpenGLES2.0中，這些東西由着色器處理，因此不需要使用glEnable或glDisable
如何使用不同的路徑進行渲染，而不添加太多的if語句和條件。

進一步練習

您何時使用頂點緩衝區？什麼時候從客戶端內存傳輸數據更好？使用頂點緩衝區對象有哪些缺點？您將如何改進異步加載代碼？

可以從GitHub上的項目站點下載本課程的完整源代碼。

Android OpenGL ES 2.0（七）--- 頂點緩衝區對象

本文從下面鏈接翻譯過來:

什麼是頂點緩衝區對象，爲什麼要使用它們？

前提條件

更詳細的瞭解客戶端緩衝區

使用打包緩衝區(Working with packed buffers)

Dalvik和本地堆上的內存

移動到頂點緩衝區對象

將頂點數據上傳到GPU

打包頂點緩衝區對象

將頂點數據放到一起

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