• OpenGL顶点数组


    概述

    作为在立即模式(glBegin()与glEnd()之间)下指定单个顶点数据的替代,你可以保存顶点数据在一组列表中,包括顶点位置、法线、纹理坐标与颜色信息。并且你可以通过索引数组解引用数组元素绘制选定的几何图元。

    看看下面的用立即模式绘制立方体的代码。

    glBegin(GL_TRIANGLES);  // draw a cube with 12 triangles
        // 前面 =================
        glVertex3fv(v0);    // v0-v1-v2
        glVertex3fv(v1);
        glVertex3fv(v2);
    
        glVertex3fv(v2);    // v2-v3-v0
        glVertex3fv(v3);
        glVertex3fv(v0);
    
        // 右面 =================
        glVertex3fv(v0);    // v0-v3-v4
        glVertex3fv(v3);
        glVertex3fv(v4);
    
        glVertex3fv(v4);    // v4-v5-v0
        glVertex3fv(v5);
        glVertex3fv(v0);
    
        // 上面 ===================
        glVertex3fv(v0);    // v0-v5-v6
        glVertex3fv(v5);
        glVertex3fv(v6);
    
        glVertex3fv(v6);    // v6-v1-v0
        glVertex3fv(v1);
        glVertex3fv(v0);
    
        ...                 // 绘制其余3面
    
    glEnd();
    
    image

    为构造每个面的2个三角形,需要调用glVertex*()6次。例如,正面分为v0-v1-v2与v2-v3-v0两个三角形。一个立方体有6个面,因此glVertex*()的调用次数为36。如果你还需为相关顶点指定法线、纹理坐标与颜色,这增加对OpenGL函数的调用。

    另一个需要注意的是:顶点“v0”被三个相邻的面共用:正面、右面与顶面。在立即模式下,你必须提供这个共用点6次,就像代码中那样每个面2次。

    使用顶点数字会降低函数调用次数及共用顶点的重复使用。因此,可以提供渲染效率。在此,解释3种不同的使用顶点数组的OpenGL函数:glDrawArrays()、glDrawElements()与glDrawRangeElements()。然而,更好的方法是使用顶点缓存对象(VBO)与显示列表。

    初始化

    OpenGL提供glEnableClientState()与glDisableClientState()函数启用/禁用6中不同类别的数组。此外,有6个函数用于指定数组的精确位置(地址),因此在你的应用程序中OpenGL可以访问这些数组。

    • glVertexPointer():指定顶点坐标数组指针
    • glNormalPointer():指定法线数组指针
    • glColorPointer():指定RGB颜色数组指针
    • glIndexPointer():指定索引颜色数组指针
    • glTexCoordPointer():指定纹理坐标数组指针
    • glEdgeFlagPointer():指定边标志数组指针

    每个函数都需要不同的参数。可以参考OpenGL API手册。边标志用于标记顶点是否在边界上。因此,如果glPolygonMode()为GL_LINE时,只有边具有边标记的那些边是可见的。

    glVertexPointer(GLint size, GLenum type, GLsizei stride, const GLvoid* pointer)

    1. size:顶点坐标数量,对于2D点为2,3D点为3。
    2. type:GL_FLOAT、GL_SHORT、GL_INT或GL_DOUBLE。
    3. stride:连续两个顶点间的字节偏移量(用于交叉数组)。
    4. pointer:顶点数组指针。

    glNormalPointer(GLenum type, GLsizei stride, const GLvoid* pointer)

    1. type:GL_FLOAT、GL_SHORT、GL_INT或GL_DOUBLE。
    2. stride:连续两个法线间的字节偏移量(用于交叉数组)。
    3. pointer:法线数组指针。

    注意,顶点数组保存在你的应用程序(系统内存),它在客户端。且处在服务端的OpenGL访问它们。这就是为什么拥有顶点数组这些特殊命令的原因,使用glEnableClientState()与glDisableClientState()而不是glEnable()与glDisable()。

    glDrawArrays()

    glDrawArrays()从开启的数组中顺序读取顶点数据。由于glDrawArray()不准许在顶点数组中跳跃,你必须为每个面重复指定共用顶点。

    glDrawArrays()具有3个参数。第一个参数为图元类型。第二个参数为数组的其实偏移位置。最后一个参数为传递给OpenGL渲染管线的顶点数量。在上面绘制立方体的实例中,第一个参数为GL_TRIANGLES,第二个参数为0,即从数组开始读取。最后一个参数为36:立方体具有6个面,且每个面需要绘制两个三角形的6个顶点,6×6=36。

    GLfloat vertices[] = {...}; // 36顶点坐标
    ...
    // 启用并指定顶点数组指针
    glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertices);
    
    // 绘制立方体
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
    
    // 在绘制之后禁用顶点数组
    glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    

    由于使用glDrawArrays(),你可以用单个glDrawArrays()调用替换36次的glVertex*()调用。然而,我们依旧需要重复指定共用顶点,因此数组中的顶点数量依旧为36个,而不是8个。glDrawElements()是降低数组中顶点数量的方法,因此,它准许向OpenGL传递更少的数据。

    glDrawElements()

    glDrawElements()通过顶点数组相关的随机数组索引绘制图元序列。它降低函数调用次数与顶点传递数量。此外,OpenGL可以缓存最近处理过的顶点以及重用它们,而不必向顶点变换管线重复发送相同的顶点。

    glDrawElements()需要4个参数。第一个参数为图元类型,第二个为索引数组数量,第三个位索引数组的数据类型,最后一个参数为索引数组地址。在此例中,参数分别为:GL_TRIANGLES、36、GL_UNSIGNED_BYTE与indices。

    GLfloat vertices[] = {...};          // 8个顶点坐标
    GLubyte indices[] = {0,1,2, 2,3,0,   // 36个索引
                         0,3,4, 4,5,0,
                         0,5,6, 6,1,0,
                         1,6,7, 7,2,1,
                         7,4,3, 3,2,7,
                         4,7,6, 6,5,4};
    ...
    // 启用并指定顶点数组指针
    glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertices);
    
    // 绘制立方体
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, 36, GL_UNSIGNED_BYTE, indices);
    
    // 绘制之后禁用顶点数组
    glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    

    现在,顶点数组的大小为8,这就是立方体的顶点数量,而没有任何重复。

    注意,索引数组的数据类型为GLubyte,而不是GLuint或GLushort。为了降低索引数组的大小,它应该是能够容纳索引数量的最小数据类型,否则,由于索引数组过大能够引起性能下降。因为顶点数组包含8个顶点,GLubyte足够容纳所有索引值。

    另一个需要考虑的问题是共用顶点上的法向量。如果共用顶点的相邻多边形的法线各不相同,则法向量需要同面的数量一样多,每个面一个法向量。

    例如,顶点v0为正面、右面与顶面所共用,不过法线并不能共用。正面的法线为n0,右面的法线为n1,顶面的法线为n2。对于这种情况,法线并不与共用顶点相同,顶点就不能够仅在顶点数组中指定一次。为了匹配法向数组中元素的数量,顶点数组中必须多次指定该顶点坐标。具有法线的典型立方体需要24个单一顶点:6个面×每面4个顶点。参考示例代码中的实际实现。

    glDrawRangeElements()

    glDrawElements()类似,glDrawRangeElements()也适用于随机访问顶点数组。不过glDrawRangeElements()有额外的2个参数(start与end索引)以指定需要读取的顶点范围。通过增加该范围限定,OpenGL能够在渲染之前仅获取限定数量的顶点数组,且能够提高性能。

    glDrawRangeElements()中新增的参数为start与end索引,OpenGL从这些值(end-start+1)中获取限定数量的顶点。并且索引数组中的值必须位于start与end索引之间。注意,并不是范围(start,end)之间的所有顶点都会被接引用。然而,如果你指定一个稀疏使用范围,会引起不必要的对数组中未使用的那些顶点的处理。

    GLfloat vertices[] = {...};          // 8个顶点坐标
    GLubyte indices[] = {0,1,2, 2,3,0,   // 第一部分(18个索引)
                         0,3,4, 4,5,0,
                         0,5,6, 6,1,0,
    
                         1,6,7, 7,2,1,   // 第二部分(18个索引)
                         7,4,3, 3,2,7,
                         4,7,6, 6,5,4};
    ...
    // 开启并指定顶点数组指针
    glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertices);
    
    // 绘制第一部分, 范围为6 - 0 + 1 = 7用到的顶点
    glDrawRangeElements(GL_TRIANGLES, 0, 6, 18, GL_UNSIGNED_BYTE, indices);
    
    // 绘制第二部分, 范围为6 - 0 + 1 = 7用到的顶点
    glDrawRangeElements(GL_TRIANGLES, 1, 7, 18, GL_UNSIGNED_BYTE, indices+18);
    
    // 绘制之后禁用顶点数组
    glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
    

    你可以通过使用GL_MAX_ELEMENTS_VERTICES与GL_MAX_ELEMENTS_INDICES调用glGetIntegerv()查询可获取顶点的最大数量与可引用索引的最大数量。

    注意,glDrawRangeElements()在OpenGL 1.2或更高版本有效。

    实例

    该实例程序以4中不同方式绘制立方体:立即模式、glDrawArrays()、glDrawElements()与glDrawRangeElements()。

    • draw1():以立即模式绘制立方体。
    • draw2():以glDrawArrays()绘制立方体。
    • draw3():以glDrawElements()绘制立方体。
    • draw4():以glDrawRangeElements()绘制立方体。
    • draw5():以glDrawElements()与间隔顶点数组方式绘制立方体。

    下载源代码与二进制文件:vertexArray.zip

    为了正确执行该程序,显卡必须支持OpenGL v1.2或更高。通过glinfo确认你的显卡驱动是否支持OpenGL v1.2或更高。

    英文原文:http://www.songho.ca/opengl/gl_vertexarray.html

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