Android OpenGL ES 学习(六) – 使用 VBO、VAO 和 EBO/IBO 优化程序

OpenGL 学习教程
Android OpenGL ES 学习(一) – 基本概念
Android OpenGL ES 学习(二) – 图形渲染管线和GLSL
Android OpenGL ES 学习(三) – 绘制平面图形
Android OpenGL ES 学习(四) – 正交投屏
Android OpenGL ES 学习(五) – 渐变色
Android OpenGL ES 学习(六) – 使用 VBO、VAO 和 EBO/IBO 优化程序
Android OpenGL ES 学习(七) – 纹理
代码工程地址： https://github.com/LillteZheng/OpenGLDemo.git

上一篇 Android OpenGL ES 学习(五) – 渐变色，我们已经完成了三角形的渐变色处理。

这一章，我们学习 GL3.0 特有的 OpenGL 缓存对象，VBO ,VAO 和 EBO。这一章稍微有点吃理解，建议多看多想。

一. VBO

顶点缓冲对象：Vertex Buffer Object，VBO
为什么有这个对象？从Android OpenGL ES 学习(二) – 图形渲染管线和GLSL 这章知道，图形渲染管线的顶点数据是在 CPU 上的，我们需要调用 GL 的指令，把这些数据加载到 GPU 中，每绘制一个顶点，都需要加载一次。
当数据小的时候可以忽略不计，但如果有非常大的数据，频繁的在 CPU 和 GPU 之间传递呢，比如渲染图片，视频。

再比如，我们的渐变色三角形，就18个顶点数据，我们会把它作为输入发送给图形渲染管线的顶点着色器，它会在 CPU 上创建内存，并存储这些顶点数据，然后再把它传给 CPU 。
但如果不止 18 点呢，这里有上万点呢，这无疑是很耗性能的。所以，GL在 3.0 版本，引入 VBO 这个顶点缓存对象，它会在 GPU 内存(显存) 中存储大量顶点，然后我们可以一次性把大批数据发送给显存，而不是每个顶点发送一次；

从CPU把数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能我们都要尝试尽量一次性发送尽可能多的数据。当数据发送至显卡的内存中后，顶点着色器几乎能立即访问顶点，这是个非常快的过程。

了解原理，看看怎么使用。

1.1 使用 VBO

VBO 的使用非常简单，步骤如下：

创建缓存区：glGenBuffers
绑定缓存区到上下文： glBindBuffer
将顶点数据存在缓冲区： glBindData
指定如何解析顶点属性数组：glVertexAttribPointer
绘制：glDrawArrays

创建：

//创建缓存区
val vbo = IntArray(1)
GLES30.glGenBuffers(1,vbo,0)
//绑定缓存区到上下文
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
//将顶点数据存在缓冲区
GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vertexData.capacity() * 4,vertexData,GLES30.GL_STATIC_DRAW)

主要看 glBufferData 这个方法，它是一个专门用来把用户定义的数据复制到当前绑定缓冲的函数，参数如下：

buffer 对象类型：有GL_ARRAY_BUFFER，GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER，GL_SHADER_STORAGE_BUFFER 等等。
传输数据大小((以字节为单位))：填写 buffer 大小，由于是 float类型，乘以4
实际数据
告诉显卡如果管理给定的数据，它有三种形式
- GL_STATIC_DRAW ：数据不会或几乎不会改变
- GL_DYNAMIC_DRAW：数据会被改变很多。
- GL_STREAM_DRAW ：数据每次绘制时都会改变。

因为三角形的数据不会改变，每次都一样，所以使用 GL_STATIC_DRAW。

使用数据

//绘制位置，注意这里，我们不再填入 vertexData，而是填入数据偏移地址
GLES30.glVertexAttribPointer(0, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 0
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置
vertexData.position(3)
GLES30.glVertexAttribPointer(1, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)//解绑数据，因为我们不需要动态更新
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)

注意绘制索引时 glVertexAttribPointer，我们不再填入顶点内存数据，因为我们已经把数据关联到 VBO 上了，所以填入数据偏移地址。
由于位置是首位，所以偏移地址是0，颜色是 3 * 4.

绘制
绘制也比较简单，直接使用 vbo 就可以了。

GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP,0,3)

效果如下，熟悉的三角形：

二. VAO

顶点数组对象：Vertex Array Object，VAO
前面说道 VBO 会把顶点数据存到 GPU 显存中，但怎么使用呢？并没有人管理，GL 并不知道怎么去拿这些数据。
比如，我们有这个一个场景，要画两个三角形，构成一个矩形，按照我们上面的做法，也需要两个 VBO 。

顶点数据：

//第一个三角形private val POINT_COLOR_DATA = floatArrayOf(// positions         // colors0.5f, 0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右上角0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 1.0f,// 右下角-0.5f, 0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角)//第二个三角形private val POINT_COLOR_DATA2 = floatArrayOf(// positions         // colors0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右下角-0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 左下角-0.5f, 0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角)

创建两个vbo

  val vbo = IntArray(2)
private fun useVaoVbo(){//绑定第一个 vboval vertexData = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_COLOR_DATA)GLES30.glGenBuffers(2,vbo,0)GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vertexData.capacity() * 4,vertexData,GLES30.GL_STATIC_DRAW)//绘制位置GLES30.glVertexAttribPointer(0, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 0)GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置vertexData.position(3)GLES30.glVertexAttribPointer(1, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4)GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)//解绑数据GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)//绑定第二个 vboval vertexData2 = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_COLOR_DATA2)GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1])GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vertexData2.capacity() * 4,vertexData2,GLES30.GL_STATIC_DRAW)//绘制位置GLES30.glVertexAttribPointer(0, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 0)GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置vertexData2.position(3)GLES30.glVertexAttribPointer(1, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4)GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)//解绑数据GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)}

绘制：

//绘制第一个三角形，右上角
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP,0,3)

咦，我们的第一个顶点数据的数据为：

//第一个三角形
private val POINT_COLOR_DATA = floatArrayOf(// positions         // colors0.5f, 0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右上角0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 1.0f,// 右下角-0.5f, 0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)

应该是下图才对，

怎么变成第二个顶点的三角形形状了呢？
因为前面我们创建了两个 VBO ，使用 glBufferData 后，VBO[0] 就发送给显卡内存了，同理 VBO[1] 也发给过去，但是GPU 在拿这些数据的时候，并不知道这些数据的地址，就拿了最新的，所以才会显示 VBO[1] 的数据。
怎么处理呢？

回到刚才的 VAO ,它会记录 Buffer Object 中缓存顶点属性的缓存对象的配置信息，相当于我们可以通过 VAO 准确告诉 GPU 缓存对象的地址。如下图：

它的创建跟 VBO 差不多，只不过方法不一样：

创建 VAO: glGenVertexArrays
绑定 VAO : glBindVertexArray ，需要注意，这里绑定了 VAO 后，再绑定 VBO，这样他们才能关联起来。
解绑数据：GLES30.glBindVertexArray(0)

这样，我们修改一下上面的代码：

private val vao = IntArray(2)
private fun useVaoVbo(){val vbo = IntArray(2)val vertexData = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_COLOR_DATA)//创建 VAOGLES30.glGenVertexArrays(2,vao,0)// //创建 VBOGLES30.glGenBuffers(2,vbo,0)//绑定 VAO ,之后再绑定 VBOGLES30.glBindVertexArray(vao[0])//绑定VBOGLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vertexData.capacity() * 4,vertexData,GLES30.GL_STATIC_DRAW)//绘制位置GLES30.glVertexAttribPointer(0, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 0)GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置vertexData.position(3)GLES30.glVertexAttribPointer(1, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4)GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)//解绑数据GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)GLES30.glBindVertexArray(0)//绑定第二个 vboval vertexData2 = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_COLOR_DATA2)// GLES30.glBindVertexArray(vao[1])GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[1])GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vertexData2.capacity() * 4,vertexData2,GLES30.GL_STATIC_DRAW)//绘制位置GLES30.glVertexAttribPointer(0, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 0)GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置vertexData2.position(3)GLES30.glVertexAttribPointer(1, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4)GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)//解绑数据GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)GLES30.glBindVertexArray(0)
}

绘制，使用 vao

//绘制第一个三角形
GLES30.glBindVertexArray(vao[0])
GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP,0,3)

可以看到，我们第一个三角形可以被正确识别了

三. EBO / IBO

元素缓冲对象：Element Buffer Object，EBO 或索引缓冲对象 Index Buffer Object，IBO

什么叫元素缓冲对象呢，你可以简单理解成顶点数据复用，举个栗子：
上面我们要画一个矩形，需要用到两个三角形，顶点如下：

//第一个三角形
private val POINT_COLOR_DATA = floatArrayOf(// positions         // colors0.5f, 0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右上角0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 1.0f,// 右下角-0.5f, 0.5f, 0.0f,  0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)
//第二个三角形
private val POINT_COLOR_DATA2 = floatArrayOf(// positions         // colors0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右下角-0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 左下角-0.5f, 0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角
)

但注意到，对角线的数据，是相同的，有几个顶点叠加了，一个矩形只有4个角而不是6个，这样就产生50%的额外开销。

当有成千上百个三角形时，就会产生一大堆浪费。

一个比较好的解决方案，就是存储不同的顶点，并按照顺序去绘制，这样，我们只需要4个顶点，就能绘制矩形了。而 EBO 就是这样一个缓冲对象，它会存储 GL 用来决定要绘制哪些顶点的索引。
所以，我们先定义不重复的顶点：

private val POINT_RECT_DATA2 = floatArrayOf(// 矩形4个顶点0.5f, 0.5f, 0.0f,   1.0f, 0.5f, 0.5f,// 右上角0.5f, -0.5f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 1.0f,// 右下角-0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f,// 左下角-0.5f, 0.5f, 0.0f,   0.0f, 0.5f, 1.0f,// 左上角)

需要按顺序的数据：

private val indeices = intArrayOf(// 注意索引从0开始!// 此例的索引(0,1,2,3)就是顶点数组vertices的下标，// 这样可以由下标代表顶点组合成矩形0, 1, 3, // 第一个三角形1, 2, 3  // 第二个三角形
)

它的创建也跟 VAO 特别像

创建对象：glGenBuffers
绑定对象到上下文：glBindBuffer
绑定顺序的数据：glBufferData ，根据前面的解释，这个对象参数，选择 GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER

代码如下：

//创建 ebo
GLES30.glGenBuffers(1,ebo,0)
//绑定 ebo 到上下文
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,ebo[0])
//昂丁
GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,indexData.capacity() * 4,indexData,GLES30.GL_STATIC_DRAW
)

跟 VBO 和 VAO 结合后的代码：

private fun useVaoVboAndEbo(){val vertexData = BufferUtil.createFloatBuffer(POINT_RECT_DATA2)
val indexData = BufferUtil.createIntBuffer(indeices)//使用 vbo,vao 优化数据传递
//创建 VAO
GLES30.glGenVertexArrays(1,vao,0)
// //创建 VBO
GLES30.glGenBuffers(1,vbo,0)
//绑定 VAO ,之后再绑定 VBO
GLES30.glBindVertexArray(vao[0])
//绑定VBO
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vbo[0])
GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,vertexData.capacity() * 4,vertexData,GLES30.GL_STATIC_DRAW)
//创建 ebo
GLES30.glGenBuffers(1,ebo,0)
//绑定 ebo 到上下文
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,ebo[0])
//昂丁
GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,indexData.capacity() * 4,indexData,GLES30.GL_STATIC_DRAW
)//绘制位置
GLES30.glVertexAttribPointer(0, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 0
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(0)//绘制颜色，颜色地址偏移量从3开始，前面3个为位置
vertexData.position(3)
GLES30.glVertexAttribPointer(1, 3, GLES30.GL_FLOAT,false, 24, 12 //需要指定颜色的地址 3 * 4
)
GLES30.glEnableVertexAttribArray(1)GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER,0)
GLES30.glBindVertexArray(0)
//注意顺序，ebo 要在 vao 之后
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER,0)
}

关于 EBO 为啥要再 VAO 之后，可以参考 https://www.zhihu.com/question/39082624

绘制：

GLES30.glBindVertexArray(vao[0])
GLES30.glDrawElements(GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP,6,GLES30.GL_UNSIGNED_INT,0)

注意这里把 glDrawArrays 替换成了 glDrawElements ，表示我们要从索引缓存中渲染三角形。它的参数如下：

绘制类型，这里也是三角形 GLES30.GL_TRIANGLE_STRIP
顶点个数：6 个，实际是两个三角形
索引的类型，这里是GL_UNSIGNED_INT
最后是偏移量，这里填0即可

glDrawElements函数从当前绑定到GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER目标的EBO中获取其索引。但前面说道，VAO 可以关联 buffer object 的索引，所以，统一使用 VAO 去关联即可。
如下图：

可以看到，VAO 实际上关联了 VAO 和 EBO 。
效果：

参考：
https://learnopengl-cn.github.io/01%20Getting%20started/04%20Hello%20Triangle/
https://www.zhihu.com/question/39082624
https://juejin.cn/post/7149775557398364167