Modern OpenGL - 渲染矩体/矩形体/立方体/正方体

作者: IcyllisMilica | 来源:发表于2021-03-14 13:02 被阅读0次

本文简述如何在OpenGL 4.3以上渲染一个矩体（cuboid），有时也称为矩形体/立方体/正方体/长方体

前言

Minecraft 中的模型由一个个cube组成，这里的cube不是正方体而是矩体，也就是6个面中的每个面都是矩形。
在 Minecraft 1.16 中，一个cube包含6个quad。假定我们渲染一个普通的完整不透明方块，即一个正方体，那么这个模型的6个面中的每个面有一个quad。一个quad即一个矩形，包含了4个顶点的属性（attribute），因此一个cube便有 4 * 6 = 24 个顶点。
Minecraft 会创建 VBO，将这些 attributes 批量传入OpenGL内置shader，即使用固定管线，传入投影矩阵（projection）并使用 glDrawArrays 在 GL_QUADS 模式下渲染。
那么我们如何在 Modern OpenGL（core-profile）中渲染这个矩体呢？

1. Vertex Buffer Object

VBO（Vertex Buffer Object）即顶点缓冲对象，规范于OpenGL 1.5 (2003)。VBO是在显存中分配出的一块内存空间，用于存放大量顶点的属性（attribute），如坐标 position、颜色 color、法向量 normal、纹理映射 uv、光照映射 lightmap等。渲染时，由于VBO的数据是存储在显存中而不是内存中，不需要从CPU向GPU传入数据，GPU可以直接从VBO中按顺序读取数据，且这些数据是对齐的，性能更高。

创建并使用VBO

所有的缓冲对象都由下面的方法所生成一个ID表示：

GLuint VBO_id; // a generated buffer object name
glGenBuffers(/* number */ 1, &VBO_id);

OpenGL中有各种类型的缓冲对象，VBO所对应的类型为 GL_ARRAY_BUFFER。我们可以使用 glBindBuffer 同时绑定多个不同类型的缓冲对象。下面的方法可以将当前的 GL_ARRAY_BUFFER 绑定到 VBO_id，当第二个参数为 0 时，即解除绑定（unbind）：

glBindBuffer(/* target */ GL_ARRAY_BUFFER, VBO_id);

绑定之后，我们对所有 target 为 GL_ARRAY_BUFFER 的操作都会应用到当前所绑定的缓冲对象上，即我们刚刚生成的 VBO_id。接着我们使用 glBufferData 来复制内存中的数据到缓冲对象中去，即显存里：

glBufferData(/* target */ GL_ARRAY_BUFFER, /* size */ sizeof(vertices), /* data */ vertices, /* usage */ GL_DYNAMIC_DRAW);

这里，size 即数据的大小，单位为字节。usage 即用途，由频率（frequency）和性质（nature）两部分组成，每个部分有三种选择，可以组合出9种用途。

频率包括：

STREAM
数据的内容只能修改一次，并至多使用一次。
STATIC
数据的内容只能修改一次，并可以使用很多次。
DYNAMIC
数据的内容可以反复修改，也可以使用很多次。

性质包括：

DRAW
数据的内容由CPU传入，在GPU中获得该数据用于渲染和图像相关指令。
READ
数据的内容来自于GPU自身，而在CPU中获得该数据使用。
COPY
数据的内容来自于GPU自身，并在GPU中用于渲染和图像相关指令。

不同的 usage 所分配的内存空间是不同的，这里我们的VBO用于实时渲染，并且数据内容可能会发生变化（比如坐标），因此我们选择 GL_DYNAMIC_DRAW。

2. 连接顶点属性

在顶点着色器（vertex shader）中我们可以定义输入的每个顶点属性的变量名与类型。

这里所说的顶点属性为通用顶点属性（generic vertex attribute），相比之下固定管线中存在内置顶点属性，但这些在可编程管线中已全部废弃，所以我们通常说的顶点属性都指通用顶点属性，也就是我们自己定义的。

我们必须要指定我们VBO的数据是如何布局的，这样着色器才能正确地得到每个顶点的每个属性，这就需要使用 glVertexAttribPointer。

假设我们的顶点属性中只包含一个坐标，类型为 vec3，它的布局如下：

vertex_attribute_pointer.png
一个 vec3 包含3个分量（component），即 x, y, z 分量。如果每个顶点的属性之间没有额外空间，如 pos1,pos2,color1,color2 称为紧密排布（tightly packed）。而对于 pos1,color1,pos2,color2 则称为交错排布（interleaved），需要指定 stride。通常情况下，使用交错排布性能更好，因其内存对齐和序列化存储，但会占用更多显存空间。

glVertexAttribPointer(/* index */ 0, /* size */ 3, /* type*/ GL_FLOAT, /* normalized */ GL_FALSE, /* stride */ 3 * sizeof(float), (void*) 0);
glEnableVertexAttribArray(0);

index - 指定了要配置的通用顶点属性的索引。假设我们在顶点着色器中指定的坐标属性带有 layout (location = 0)，我们这里就要输入 0。
size - 指定了该顶点属性的大小，即分量数，该值只能是1,2,3,4。这里使用的是一个 vec3，所以分量数是 3。
type - 指定了VBO数据中对应此属性的类型，这里是 GL_FLOAT。可选的值有 GL_BYTE, GL_UNSIGNED_BYTE, GL_SHORT, GL_UNSIGNED_SHORT, GL_INT, GL_UNSIGNED_INT, GL_HALF_FLOAT, GL_FLOAT, GL_DOUBLE, GL_FIXED, GL_INT_2_10_10_10_REV, GL_UNSIGNED_INT_2_10_10_10_REV 和 GL_UNSIGNED_INT_10F_11F_11F_REV。
normalized - 指定了数据是否要被标准化。如果数据类型的符号型数值，则转换为[-1, 1]的浮点值，如果是无符号型数值，则转换为[0, 1]的浮点值。如果不标准化，则直接转换为浮点值。坐标不需要标准化，所以这里输入 GL_FALSE。
stride - 指定了每组顶点属性数组的长度，这里只有循环交错的三个浮点数，所以步数为 3 * 4 = 12 字节。当我们确定顶点属性是紧密排布的，可以传入 0。当有更多复杂的顶点属性时，我们可能需要添加padding来保证数据对齐。
pointer - 指定了该属性的第一个值在每个顶点属性数组的偏移量，这里的坐标就在数组的开始，所以传入 0。

注意：glVertexAttribPointer 最终都会将数据转成浮点型。如果使用 glVertexAttribIPointer，则会转成整数类型，并且 type 只能 GL_BYTE, GL_UNSIGNED_BYTE, GL_SHORT, GL_UNSIGNED_SHORT, GL_INT 和 GL_UNSIGNED_INT。这个方法不含 normalized 参数。

调用 glVertexAttribPointer 后，所有的这些配置会被保存成一个状态，这个状态也包括当前所绑定的VBO，这样以后就会从这个VBO中读取数据。如果使用VAO，则该状态会保存进VAO，这样就不再需要绑定VBO，即省事也能提高性能。
所有顶点属性默认都是关闭的，需要使用 glEnableVertexAttribArray 来给出它的 location，即通用顶点属性的索引。

3. Element Buffer Object

EBO（Element Buffer Object）即元素缓冲对象，或称为索引缓冲对象，规范于OpenGL 1.5 (2003)。假设我们要渲染的矩体中的顶点属性只包含坐标，那么事实上我们只需要8个坐标而不是24个，这样8个顶点就可以满足需求，同时可以节省显存占用，提高利用率和性能。EBO存储了一个组索引，OpenGL能按照这种顺序使用顶点，这也称为索引绘制（indexed drawing）。

GLuint EBO_id;
glGenBuffers(/* number */ 1, &EBO_id);

与VBO类似，我们需要绑定EBO并使用 glBufferData 上传数据，但这里的 target 是 GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。EBO的数据一般不需要修改，所以这里的 usage 使用 GL_STATIC_DRAW。

glBindBuffer(/* target */ GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO_id);
glBufferData(/* target */ GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, /* usage */ GL_STATIC_DRAW);

4. Vertex Array Object

VAO（Vertex Array Object）即顶点数组对象，规范于OpenGL 3.0 (2008)。在Modern OpenGL（core-profile）中必须绑定VAO才能进行渲染。VAO可以保存我们的顶点属性配置，这样我们只需要配置好一个VAO，就不需要在每次渲染时调用 glVertexAttribPointer 等操作，并且可以轻松在不同的VBO或者是相同的VBO中使用不同的顶点属性配置之间进行切换。当绑定VAO时，会切换 glEnableVertexAttribArray 和 glDisableVertexAttribArray 状态，进行调用 glVertexAttribPointer 的顶点属性配置，并使用某个EBO。

注意，VAO只会与某个EBO相关联而不会与某个VBO相关联，它会与在绑定VAO时调用 glVertexAttribPointer 的顶点属性配置时所绑定的VBO相关联，也就是那时的 GL_ARRAY_BUFFER，所以不同的VAO可以使用相同的VBO，同时也能使用不同的顶点属性配置。此外，顶点属性默认就是关闭的，所以在某个的VAO内我们只需使用 glEnableVertexAttribArray 而几乎无需使用 glDisableVertexAttribArray，除非需要重新配置顶点属性。

生成一个VAO：

GLuint VAO_id;
glGenVertexArrays(/* number */ 1, &VAO_id);

接着使用 glBindVertexArray 绑定并配置VAO，配置好后解绑表示不再配置该VAO，当需要渲染时，我们只需重新绑定这个VAO即可。注意，VAO只需要在渲染前创建并配置好，通常不在渲染循环中创建。

// 1. first bind our VAO
glBindVertexArray(VAO_id);
// 2. bind VBO for vertex attribute configuration, VBO data has already been uploaded.
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO_id);
// 3. connect a EBO with VAO, EBO data has already been uploaded.
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO_id);
// 4. then set our vertex attributes pointers
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*) 0);
glEnableVertexAttribArray(0);
// 5. unbind and finish creation
glBindVertexArray(0);

开始渲染工作

假定渲染这样一个正方体，0为坐标原点，01的方向向量为x，03的方向向量为y，40的方向向量为z：

cube_8vertices.png
则顶点数据：

float vertices[] = {
     0.0f,  0.0f,  0.0f,  // 0
     1.0f,  0.0f,  0.0f,  // 1
     1.0f,  1.0f,  0.0f,  // 2
     0.0f,  1.0f,  0.0f   // 3
     0.0f,  0.0f, -1.0f,  // 4
     1.0f,  0.0f, -1.0f,  // 5
     1.0f,  1.0f, -1.0f,  // 6
     0.0f,  1.0f, -1.0f   // 7
};

OpenGL中渲染任何图形最终只会转换为3种：点，线，三角形。所以我们要渲染正方体的6个面，每个面都是一个矩形，则由两个三角形组成，一共需要渲染12个三角形，即 mode 为 GL_TRIANGLES。一个三角形需要3个顶点，在OpenGL中默认以逆时针方向为正面，OpenGL 2.0起可以通过 glFrontFace 来设置顺时针还是逆时针方向为正面，这里我们遵循默认行为，则EBO数据：

unsigned int indices[] = {
    0, 1, 3, // front
    3, 1, 2, 
    1, 5, 2, // right
    2, 5, 6, 
    5, 4, 6, // back
    6, 4, 7, 
    4, 0, 7, // left
    7, 0, 3, 
    3, 2, 7, // top
    7, 2, 6, 
    0, 4, 1, // bottom
    1, 4, 5
};

接着我们再使用 glDrawElements 来进行绘制。因为我们在VAO中已经绑定了EBO，所以 indices 需要传入所使用的EBO数据的指针即可，即起始偏移量（如果没绑定EBO，则为EBO数组的指针）。type 则指定了EBO的数据类型。VBO只包含一个正方体的数据，所以 count 为 3 * 12 = 36。则渲染循环：

glUseProgram(shaderProgram);
glBindVertexArray(VAO_id);
glDrawElements(/* mode */ GL_TRIANGLES, /* count */ 36, /* type */ GL_UNSIGNED_INT, /* indices */ 0)
glBindVertexArray(0);

编写shader、投影矩阵、坐标系等较为复杂，这里暂不介绍。回到 Minecraft 中，如果每个面使用不同的纹理，我们还是需要24个顶点，即使有3个顶点的坐标值是相同的，但是其他属性不同，因此不同情况下要采取不同的策略，比如把所有顶点坐标存在一个VBO，其他数据存在另一个VBO等。

本文部分内容翻译自https://learnopengl.com/。

Modern OpenGL - 渲染矩体/矩形体/立方体/正方体

前言

1. Vertex Buffer Object

创建并使用VBO

2. 连接顶点属性

3. Element Buffer Object

4. Vertex Array Object

开始渲染工作

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