OpenGL Pixel Buffer Object (PBO)

Overview

OpenGL pixel_buffer_object 扩展非常接近 vertex_buffer_object。它只是扩展出 vertex_buffer_object扩展，以便不仅将顶点数据并且将像素数据也存储到缓冲区对象中。这种存储像素数据的缓冲对象称为像素缓冲对象（PBO）。 pixel_buffer_object扩展借用了所有 VBO 框架和 API，此外还添加了 2 个额外的“target”令牌。这些令牌协助 PBO 内存管理器（OpenGL 驱动程序）确定缓冲对象的最佳位置；系统内存、共享内存或显存。此外，target令牌定义了绑定的 PBO 将用于 2 个不同的操作：GL_PIXEL_PACK_BUFFER 将像素数据传输到 PBO，或 GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER将像素数据从 PBO 传输。

例如，glReadPixels()和glGetTexImage() 是“pack”像素操作，而 glDrawPixels()，glTexImage2D()和glTexSubImage2D() 是“unpack”操作。当 PBO 与 GL_PIXEL_PACK_BUFFER 令牌绑定时，glReadPixels()从 OpenGL 帧缓冲区读取像素数据并将数据写入（打包）到 PBO。当 PBO 与 GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER 令牌绑定时，glDrawPixels()从 PBO 读取（解包）像素数据并将它们复制到 OpenGL 帧缓冲区。

PBO 的主要优点是通过 DMA（直接内存访问）与图形卡进行快速像素数据传输，而无需占用 CPU 周期。而且，PBO 的另一个优点是异步 DMA 传输。

让我们将传统的纹理传输方法与使用像素缓冲区对象进行比较。下图左侧是从图像源（图像文件或视频流）加载纹理数据的常规方式。材质源首先加载到系统内存中，然后使用 glTexImage2D() 从系统内存复制到 OpenGL 纹理对象。这 2 个传输过程（加载和复制）都由 CPU 执行。

相反，在右侧图中，图像源可以直接加载到 PBO 中，该 PBO 由 OpenGL 控制。 CPU 仍然涉及将源加载到 PBO，但不会将像素数据从 PBO 传输到纹理对象。相反，GPU（OpenGL 驱动程序）管理将数据从 PBO 复制到纹理对象。这意味着 OpenGL 在不浪费 CPU 周期的情况下执行 DMA 传输操作。此外，OpenGL 可以安排异步 DMA 传输以供以后执行。因此，`glTexImage2D()` 立即返回，CPU 可以执行其他操作而无需等待像素传输完成。

有两种主要的 PBO 方法可以提高像素数据传输的性能：流式纹理更新(streaming texture update)和从帧缓冲区异步回读(asynchronous read_back from the framebuffer)。

Creating PBO

如前所述，Pixel Buffer Object 借用了Vertex Buffer Object 的所有 API。唯一的区别是 PBO 有 2 个额外的令牌：GL_PIXEL_PACK_BUFFER 和 GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER。

GL_PIXEL_PACK_BUFFER 用于将像素数据从 OpenGL 传输到您的应用程序，而 GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER表示将像素数据从应用程序传输到 OpenGL。OpenGL 参考这些标记来确定 PBO 的最佳内存空间，例如，用于上传（unpacking）纹理的显存，或用于读取（pack）帧缓冲区的系统内存。但是，这些目标标记只是举例。具体实现时OpenGL 驱动程序为您决定合适的位置。

Creating a PBO requires 3 steps：

使用glGenBuffers()生成一个新的缓冲区对象。
使用 glBindBuffer()绑定缓冲区对象。
使用 glBufferData()将像素数据复制到缓冲区对象。

如果在glBufferData() 中指定指向源数组的为 NULL 指针，则 PBO 仅分配具有给定数据大小的内存空间。 glBufferData() 的最后一个参数是 PBO 的另一个性能提示，用于提供如何使用缓冲区对象。

GL_STREAM_DRAW用于流式纹理上传，GL_STREAM_READ 用于异步帧缓冲区回读。

请查看 VBO文档以获取更多详细信息。

Mapping PBO

PBO 提供了一种内存映射机制，将OpenGL 控制的缓冲区对象映射到客户端的内存地址空间。因此，客户端可以使用glMapBuffer()和 glUnmapBuffer()修改缓冲区对象的一部分或整个缓冲区。

void* glMapBuffer(GLenum target, GLenum access)GLboolean glUnmapBuffer(GLenum target)

如果映射成功，glMapBuffer()将返回指向缓冲区对象的指针。否则返回NULL。target参数是 GL_PIXEL_PACK_BUFFER 或 GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER。第二个参数，access 指定如何处理映射的缓冲区；从 PBO 读取数据 (GL_READ_ONLY)，将数据写入 PBO (GL_WRITE_ONLY)，或两者 (GL_READ_WRITE)。

如果 GPU 仍在使用缓冲区对象，则 glMapBuffer() 将不会返回，直到 GPU 使用相应的缓冲区对象完成其工作。为了避免这种停顿（等待），请在 glMapBuffer() 之前使用 NULL 指针调用 glBufferData()。然后，OpenGL 将丢弃旧缓冲区，并为缓冲区对象分配新的内存空间。

使用 PBO 后，缓冲区对象必须使用 glUnmapBuffer() 取消映射。如果成功，glUnmapBuffer()返回 GL_TRUE。否则，它返回 GL_FALSE。

Others

为了最大化流传输性能，您可以使用多个像素缓冲区对象。该图显示同时使用 2 个 PBO； glTexSubImage2D()从 PBO 复制像素数据，同时将纹理源写入另一个 PBO。对于第 n 帧，PBO 1 用于 glTexSubImage2D()，PBO 2 用于获取新的纹理源。对于第 n+1 帧，2 个像素缓冲区正在切换角色并继续更新纹理。由于异步 DMA 传输，更新和复制过程可以同时执行。 CPU 将纹理源更新到 PBO，而 GPU 从另一个 PBO 复制纹理。

传统的 glReadPixels() 会阻塞管道并等待所有像素数据传输完毕。然后，它将控制权返回给应用程序。相反，带有 PBO 的 glReadPixels() 可以调度异步 DMA 传输并立即返回而不会停顿。因此，应用程序 (CPU) 可以立即执行其他进程，同时通过 OpenGL (GPU) 使用 DMA 传输数据。此演示使用 2 个像素缓冲区。在第 n 帧，应用程序使用 glReadPixels() 将像素数据从 OpenGL 帧缓冲区读取到 PBO 1，并在 PBO 2 中处理像素数据。这些读取和处理可以同时执行，因为 glReadPixels() 到 PBO 1 立即返回，CPU 立即开始处理 PBO 2 中的数据。并且，我们在每一帧上在 PBO 1 和 PBO 2 之间交替。

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