C++和OpenGL实现3D游戏编程【连载14】—

🔥C++和OpenGL实现3D游戏编程【目录】

1、本节实现的内容

我们从一开始学OpenGL到现在，OpenGL的图形绘图必须在glBegin()和glEnd()函数之间完成，在此基础之上，才能进行后续操作功能。但是我们今天要讨论一下OpenGL图形绘制的模式，从之前的立即渲染模式，开始转向核心模式，从而大幅提升显示性能。下图就是通过VBO、VAO和EBO应用画出的一个矩形，矩形虽然简单，但它的意义却不凡。

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2、立即渲染模式

OpenGL的绘图的函数模式很多，比如绘制点的模式GL_POINTS、直线GL_LINES 、三角形GL_TRAINGLES、四边形GL_QUADS等等。OpenGL的绘图必须在glBegin()和glEnd()函数之间完成，这种方式使我们简单、直观的进行了基本几何绘图函数。像下面这个绘制三角形的操作：

	//绘画一个三角形glBegin( GL_TRIANGLES );glVertex3f(-1.0f,-0.5f,-2.0f);glVertex3f( 1.0f,-0.5f,-2.0f);glVertex3f( 0.0f,0.5f,-2.0f);glEnd();

客观的说，这种绘图方式最主要的特点就是看起来比较简单，容易理解，就是我们所说的立即显示模式。但是这种方式也有缺点，就是画图形的显示效率较低。原因是在于glVertex函数每次调用只把一个顶点（坐标数据）从客户端（CPU或内存）传输到显示处理设备（GPU)，而这个传输的过程相对于GPU处理数据的过程是很慢的。如果显示的图形数量不多的情况下，不会出现问题，但后期随着绘制图形的越来越复杂，位置的图形数量越来越多，需要使用的glVertex函数的调用次数就会越来越多，这将直接导致传统的立即显示模式执行效率有所下降。

3、什么是GPU和显存

首先，我们需要了解一下GPU和显存的基本概念。GPU全称图形处理器（Graphics Processing Unit），是一种专门用于处理图像和视频信息的微处理器。它拥有强大的并行处理能力，可以高效地执行复杂的图形渲染任务，GPU是显卡的核心部件。显存，也就是显卡里的内存。显卡的GPU访问显存，比访问内存（CPU里的内存区域）要快很多。而且显卡做渲染运算，一般都是访问显存的数据，再对数据进行运算，并把运算结果保存在显存中。所以一般，我们为了提示游戏性能，需要先把数据先从内存一次性传输到显存中去，后期由GPU对显存中数据进行显示和渲染。

4、核心模式下图形渲染方式

了解以上铺垫知识了以后，我们就明白此后我们将尽可能少在使用立即显示模式去显示图形。当我们使用OpenGL绘制图形时，需要将顶点的位置、颜色等信息传递给显卡，让显卡进行绘制，为了提高效率，我们需要把数据先从内存一次性传输到显存中去，后期由GPU对显存中数据进行显示和渲染。该操作主要包括以下内容：

VBO（Vertex Buffer Object）是用来存储这些顶点数据的特殊缓冲区，可以将数据保存在显卡中，避免频繁地从CPU传输数据到显卡，提高绘制效率。
VAO（Vertex Array Object）则是用来管理这些顶点数据的设置的。绘制一个图形通常需要多个顶点属性（比如位置、颜色等），VAO帮助我们预先指定这些属性在VBO中的排列方式，避免在每次绘制时重新设置属性，简化绘制代码。
EBO（Element Buffer Object）是用来存储图元的索引数据的缓冲区，比如三角形的三个顶点索引。它可以帮助我们避免重复存储顶点数据，只需存储少量的索引数据就可以描述复杂的图形，提高绘制效率。

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综合来说，VBO、VAO和EBO是帮助我们优化OpenGL绘制图形的工具。它们的组合可以让我们更高效地绘制图形，让图形的渲染速度更快，性能更好。也就是说从现在开始，我们开始去了解GPU的操作相关知识，这才是游戏设计的灵魂所在。

5、VBO(Vertex Buffer Object)顶点缓冲对象

VBO(Vertex Buffer Object)顶点缓冲对象，是在显卡存储空间中开辟出的一块内存缓存区，用于存储顶点的各类属性信息，如顶点坐标，顶点法向量，顶点颜色数据等。在渲染时，可以直接从VBO中取出顶点的各类属性数据，由于VBO在显存而不是在内存中，不需要从CPU传输数据，处理效率更高。所以可以理解为VBO就是显存中的一个存储区域，可以保持大量的顶点属性信息。并且可以开辟很多个VBO，每个VBO在OpenGL中有它的唯一标识ID，这个ID对应着具体的VBO的显存地址，通过这个ID可以对特定的VBO内的数据进行存取操作。比如我们有以下三个顶点数据信息：

	//自定义顶点float vertices[] = {-0.5f, -0.5f, 0.0f,0.5f, -0.5f, 0.0f,0.0f,  0.5f, 0.0f};

以上三个顶点我们是通过数组保持的，后期发送到顶点缓冲区，也会是连续顶点的存储模式，每一个点（VERTEX）的位置坐标数据包含x，y，z三个分量，每个点位置信息存储占用为12个字节。这些点位置信息之间没有空隙（或其他值），在数组中紧密排列。如下图：
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当然，数据信息也可能包含了颜色和纹理坐标信息：

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顶点缓冲对象（VBO）就像OpenGL中的其它对象一样，这个缓冲有一个独一无二的ID，所以我们可以使用glGenBuffers函数和一个缓冲ID生成一个VBO对象。随后glBufferData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。它的第一个参数是目标缓冲的类型：当前绑定到GL_ARRAY_BUFFER目标上的顶点缓冲对象。第二个参数指定传输数据的大小(以字节为单位)，用一个简单的sizeof计算出顶点数据大小就行。第三个参数是我们希望发送的实际数据。

    //生成VBO对象，缓冲ID为VBOunsigned int VBO;//使用元素缓冲对象EBOglGenBuffers(1, &EBO); //第一个就是缓冲对象的类型，第二个参数就是要绑定的缓冲对象的名称glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);//数据传入缓冲内存中，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glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);//设置完属性，解绑VBO	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

VBO是CPU和GPU传递信息的桥梁，我们把数据存入VBO是在CPU上操作，VBO会自动将数据送至GPU。送至GPU不需要任何人为操作。关于VBO另外补充解释：使用VBO管理内存(GPU上储存顶点数据)，使用VBO好处就是将内存一次性发送大批数据到显卡，而不是每次发送一个顶点数据。从CPU把这些数据发送到显卡相对较慢，所以只要可能就尝试尽量一次性尽可能多的数据。发送到显卡的内存后，顶点着色器几乎能立即访问顶点，过程比较快。

Buffer Object，就是由OpenGL维护的一块显存区域。比如说在一块显存为2G的显卡里，分配了128K大小的内存区域给OpenGL使用，这个128K大小的内存区域，就叫一个Buffer Object。

我们已经把顶点数据发送给了GPU，但OpenGL还不知道它该如何解释内存中的顶点数据。也就是说，GPU内的这块显存区域里是紧密连续的一个个数据，OpenGL并不知道从哪里到哪里是一个顶点的数据，从哪里到哪里是这个顶点的RGB值（如果有的话），因此要显示这些顶点，我们还需要顶点数组对象(Vertex Array Object, VAO)配合使用。同时，我们也该告诉OpenGL，该如何将顶点数据链接到顶点着色器的属性上，着色器部分我们下节课在详细描述。

VBO是顶点缓冲对象，是CPU和GPU中间的桥梁，开发者只需要将数据存入VBO中，VBO自动将数据送入GPU中。而VBO传输的只是一堆数字，GPU怎么解释这些顶点数据，就需要VAO来解释。

6、VAO(Vertex Array Object)顶点数组对象

VAO(Vertex Array Object)顶点数组对象，可以像顶点缓冲对象那样被绑定，任何随后的顶点属性调用都会储存在这个VAO中。这样的好处就是，当配置顶点属性指针时，你只需要将那些调用执行一次，刚刚设置的所有状态（顶点坐标属性、颜色属性、纹理坐标属性等）都将同时绑定并存储在一个VAO中，之后再绘制物体的时候只需要绑定相应的VAO就行了。这使在不同顶点数据和属性配置之间切换变得非常简单，只需要绑定不同的VAO就行了。

	//生成VAOglGenVertexArrays(1, &VAO);//绑定VAO，从绑定之后起，我们应该绑定和配置对应的VBO和属性指针，之后解绑VAO，供之后使用glBindVertexArray(VAO);//第一个参数GLsizei是要生成的缓冲对象的数量，第二个GLuint是要输入用来存储缓冲对象名称的数组glGenBuffers(1, &VBO);//绑定到目标对象，VBO变成了一个顶点缓冲类型，第一个就是缓冲对象的类型，第二个参数就是要绑定的缓冲对象的名称glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);//数据传入缓冲内存中，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glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);//启用顶点属性layout(location = 0)，顶点属性默认是禁用的。供着色器使用，着色器操作下节课详细介绍glEnableVertexAttribArray(0);glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);//设置完属性，解绑VBO	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);//配置完VBO及其属性，解绑VAO，后期显示图元的时候再次绑定VAO  glBindVertexArray(0);

在 OpenGL 中，使用顶点数组对象（VAO）可以方便地管理顶点属性的状态。绑定 VAO、设置顶点属性、然后解绑 VAO 的顺序是为了确保顶点属性的设置被正确地记录在 VAO 中，从而简化渲染代码并提高效率。OpenGL的核心模式要求我们使用VAO，所以它知道该如何处理我们的顶点输入。以下就是通过VAO显示对应VBO中三角形的方法：

         //绑定VAOglBindVertexArray(VAO);//从VAO中读取数据画出三角形glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);//使用完毕后解绑VAOglBindVertexArray(0);

如果你像我这样成功绘制出了这个三角形或矩形，那么恭喜你，你成功地通过了现代OpenGL入门的拦路虎之一，绘制你自己的第一个三角形或矩形，因为这些操作确实很抽象。当然我们这里暂时没有使用着色器，下节课我们会详细介绍着色器内容。如果我们绑定VAO失败，OpenGL会拒绝绘制任何东西。

7、EBO(Element Buffer Object)元素缓冲对象

EBO(Element Buffer Object)元素缓冲对象,也叫索引缓冲对象(Index Buffer Object，IBO)。要解释元素缓冲对象的工作方式最好还是举个例子：假设我们不再绘制一个三角形而是绘制一个矩形。我们可以绘制两个三角形来组成一个矩形（OpenGL主要处理三角形）。这会生成下面的顶点的集合：

GLfloat vertices[] = {// 第一个三角形0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角-0.5f, 0.5f, 0.0f,  // 左上角// 第二个三角形0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角-0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角-0.5f, 0.5f, 0.0f   // 左上角};

可以看到，有几个顶点叠加了。我们指定了右下角和左上角两次！一个矩形只有4个点而不是6个顶点，这样就产生50%的额外开销。当我们有包括上千个三角形的模型之后这个问题会更糟糕，这会产生一大堆浪费。更好的解决方案是只储存不同的顶点，并设定绘制这些顶点的顺序。这样子我们只要储存4个顶点就能绘制矩形了，之后只要指定绘制的顺序就行了。首先，我们先要定义（不重复的）顶点，和绘制出矩形所需的索引：

GLfloat vertices[] = {0.5f, 0.5f, 0.0f,   // 右上角0.5f, -0.5f, 0.0f,  // 右下角-0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角-0.5f, 0.5f, 0.0f   // 左上角};GLuint indices[] = { 0, 1, 3, // 第一个三角形，注意索引从0开始1, 2, 3  // 第二个三角形，注意索引从0开始};

创建元素缓冲对象与VBO类似，我们先绑定EBO然后用glBufferData把索引复制到缓冲里。同样，EBO的使用和VBO类似，我们会把这些EBO的相关操作放在VAO绑定和VAO解绑操作调用之间，只不过这次我们把缓冲的类型由VBO的GL_ARRAY_BUFFER改变成为GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER。

	//使用元素缓冲对象EBOglGenBuffers(1, &EBO); //第一个就是缓冲对象的类型，第二个参数就是要绑定的缓冲对象的名称glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);//数据传入缓冲内存中，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glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

最后一件要做的事是用glDrawElements来替换glDrawArrays函数，表示我们要从索引缓冲区渲染三角形。使用glDrawElements时，我们会使用当前绑定的索引缓冲对象中的索引进行绘制：

    //绑定VAOglBindVertexArray(VAO);glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);glDrawElements(GL_TRIANGLES,sizeof(indices),GL_UNSIGNED_INT,0);//使用完毕后解绑VAOglBindVertexArray(0);

这部分操作很难，因为在绘制第一个三角形之前你需要了解很多知识。幸运的是我们现在已经越过了这个障碍，接下来的教程会比较容易理解一些。

8、绑定和解绑顺序

我们通常绑定和解绑有一定的顺序，创建顺序：VAO->VBO->EBO，解绑顺序：VAO->VBO->EBO。需要注意的是，当VAO处于活动状态时，不能解绑EBO，因为绑定的元素缓冲区对象存储在VAO中。其实VAO每次使用都需要调用glBindVertexArray，它会直接解绑旧的对象并且绑定一个新的，因此通常情况下，我们不需要通过调用 glBindVertexArray(0) 来解绑VAO，当然VBO也是这样。所以在使用中，无需过度在意是否解绑了VAO和VBO，通常是不需要解绑的。

9、核心模式渲染实例

我们以上讲解了和核心模式下VBO、VAO和EBO的相关知识，所举得实例相对较为分散，那么我们现在就接合以上三部分知识，完成个简单的综合实例，生成一个矩形，直观的感受一下核心模式渲染实例。

      //自定义VAO对象，缓冲ID为VAO，当然这里VAO就是一个变量名，名字可以自己随便起，比如VaoExample等等unsigned int VAO;//自定义VBO对象，缓冲ID为VBOunsigned int VBO;//自定义VBO对象，缓冲ID为VBOunsigned int EBO;

自定义顶点数据

	//定义顶点对象float vertices[] = {//位置信息					//颜色信息	-5.0f, 0.0f, 6.0f,		1.0f,0.0f,0.0f,		5.0f, 0.0f, 6.0f,		0.0f,1.0f,0.0f,	5.0f, 10.0f, 6.0f,		0.0f,0.0f,1.0f,		-5.0f, 10.0f, 6.0f,		1.0f,1.0f,1.0f	};unsigned int indices[]={0, 1, 3, // 第一个三角形，注意索引从0开始1, 2, 3  // 第二个三角形，注意索引从0开始};

生成并绑定VAO

	//生成VAOglGenVertexArrays(1, &VAO);//绑定VAO,从绑定之后起，我们应该绑定和配置对应的VBO和属性指针，之后解绑VAO，供之后使用glBindVertexArray(VAO);

生成并绑定VBO

	//第一个参数是要生成的缓冲对象的数量，第二个GLuint是要输入用来存储缓冲对象名称的数组glGenBuffers(1, &VBO);//绑定到目标对象，第一个就是缓冲对象的类型，第二个参数就是要绑定的缓冲对象的名称glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);//数据传入缓冲内存中，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glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

生成并绑定EBO

	//使用元素缓冲对象EBOglGenBuffers(1, &EBO); //第一个就是缓冲对象的类型，第二个参数就是要绑定的缓冲对象的名称glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, EBO);//数据传入缓冲内存中，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glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(indices), indices, GL_STATIC_DRAW);

这里是着色器相关设置，下节课详细讲解着色器

	//启用顶点属性layout(location = 0)，顶点属性默认是禁用的。供着色器使用，下节课详细讲解着色器glEnableVertexAttribArray(0);glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)0);//启用顶点属性layout(location = 1)，顶点属性默认是禁用的。供着色器使用，下节课详细讲解着色器glEnableVertexAttribArray(1);glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 6 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));

使用完毕后解绑相关对象

  	//配置完VBO及其属性后，解绑VAO，后期显示图元的时候再次绑定VAO  glBindVertexArray(0);//设置完属性，解绑VBO	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

显示图像，需要先绑定VAO

	//使用着色器，下节课详细介绍着色器//glUseProgram(shaderProgram);//绑定VAOglBindVertexArray(VAO); //不使用EBO方式绘制三角形，起始索引0，绘制顶点数量3//glDrawArrays(GL_TRIANGLES,0,3);//使用EBO方式绘制三角形，共绘制6个顶点glDrawElements(GL_TRIANGLES,6,GL_UNSIGNED_INT,0);//解绑VAOglBindVertexArray(0); //不在使用着色器，下节课详细介绍着色器//glUseProgram(0);

通过以上过程，我们应该能够在三维空间中显示一个四边形，但是你会发现它并没有颜色，主要时由于本节课为了简化，我们暂未使用着色器去处理颜色信息，待下节课结合着色器进行学习后，就能显示四边形正常的颜色了。

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10、总结

在介绍VBO、VAO和EBO三个要素时，大家有可能觉得很迷茫，很多教程中并没有说明为什么要由立即渲染模式转变为核心模式，搞不明白我们为什么原来用的好好的显示函数，我们为什么突然又要讲这VBO、VAO和EBO这三个全新的东西？本节课我就接合学习过程中的一些感触，简单解释了一下这个问题，希望能对您有所帮助。但也值得庆幸的是，特别是我们在随后的游戏设计时，已经开始慢慢从CPU接触到了GPU，游戏的意义从这里才开了一个新的纪元。而且在我们下节课讲到着色器时，会更加体会到OpenGL3.2之后3D世界重大变革的方向，开发者在VBO、VAO和EBO结合着色器的核心模式下进行开发，程序设计自由度更高，游戏设计的魅力又增加了许多。

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