Android显示系统（06）- OpenGL ES - VBO和EBO和VAO

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已于 2025-01-20 17:54:06 修改 · 1.7k 阅读

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#android #图形渲染 #音视频 #媒体

于 2024-12-06 23:12:48 首次发布

一、前言：

之前代码，我们都是直接在java代码中定义顶点数组，然后，将顶点数据存储在FloatBuffer对象，最后，传递给GPU。如下所示：

public class Triangle {
   
   
    private FloatBuffer mVertexBuffer;
    // 定义的三角形顶点坐标数组
    private final float[] mTriangleCoords = new float[]{
   
   
            0.0f, 0.2f, 0.0f,   // 顶部
            -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
            0.5f, -0.5f, 0.0f   // 右下角
    };

    public Triangle(Context context) {
   
   
        // 为顶点坐标分配DMA内存空间
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(mTriangleCoords.length * 4);
        // 设置字节顺序为本地字节顺序(会根据硬件架构自适应大小端)
        byteBuffer.order(ByteOrder.nativeOrder());
        // 将字节缓冲区转换为浮点缓冲区
        mVertexBuffer = byteBuffer.asFloatBuffer();
        // 将顶点三角形坐标放入缓冲区
        mVertexBuffer.put(mTriangleCoords);
        // 设置缓冲区的位置指针到起始位置
        mVertexBuffer.position(0);
// ... 删除不相关代码
    }
}

但是，这个FloatBuffer顶点数组的存储对象是在我们CPU管理的主内存当中，一种叫做DMA的内存（Direct Memory Access），它可以直接供底层 GPU 使用，不受 Java 垃圾回收的影响，不需要CPU参与。

而我们绘制三角形时候怎么做的呢？看代码：

public class GLRenderTest implements GLSurfaceView.Renderer {
   
   
    private Triangle mTriangle;
    // ... 删除非关键代码
    @Override
    public void onDrawFrame(GL10 gl){
   
   
        GLES30.glClear(GLES30.GL_COLOR_BUFFER_BIT);
        mTriangle.draw();
    }
}

看得出我们会在onDrawFrame当中调用draw方法，并且，onDrawFrame是每一帧都要被调用，如果视频帧率是60fps，那么一秒钟就要拷贝60次数据，显然非常低效。

那么，有没有更好的方法呢？~~当然有，要么我写文章干啥~~呢？(￣▽￣)"~~，当然有，因此聪明的工程师们已经帮我们搞出来了本文主角VBO\EBO\VAO。

二、VBO：

VAO（vertex-array object）顶点数组对象，用来管理VBO。
VBO（vertex buffer object）顶点缓冲对象，用来缓存用户传入的顶点数据。
EBO（element buffer object）索引缓冲对象，用来存放顶点索引数据。

来，分开看看：

1、概念：

先在GPU中分配一个存储空间VBO，然后，一次性从主内存拷贝数据到GPU的VBO当中；

1）使用VBO的好处：

减少了主内存到GPU的数据传输次数，原来是每一帧都拷贝，现在只拷贝一次；
数据保存在GPU当中，可以重复使用；
还可以在GPU中对数据进行转换，减少CPU负载；

2）VBO使用步骤：

生成并绑定VBO：
- 使用 glGenBuffers() 生成一个 VBO 对象。
- 使用 glBindBuffer() 将 VBO 绑定到指定的缓冲区类型（如 GL_ARRAY_BUFFER）。
分配内存并传递数据：
- 使用 glBufferData() 分配内存空间并传递顶点数据到 VBO。
- 可以使用 glBufferSubData() 更新部分数据或者使用 glMapBuffer() 来映射缓冲区进行数据修改。
设置顶点属性指针：
- 在绑定 VBO 后，使用 glVertexAttribPointer() 来告诉OpenGL如何解释顶点数据。
- 使用 glEnableVertexAttribArray() 启用顶点属性数组。
解绑VBO：
- 在完成数据传递后，使用 glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0) 来解绑 VBO。

3）关键API：

glGenBuffers(GLsizei n, GLuint *buffers)：

该函数用于生成 VBO 对象的名称。

参数 n 指定要生成的 VBO 对象的数量。
参数 buffers 是一个指向 GLuint 类型的数组，用于存储生成的 VBO 对象的名称。

glDeleteBuffers(GLsizei n, const GLuint *buffers)：

用于删除通过 glGenBuffers 生成的 VBO 对象。

参数 n 指定要删除的 VBO 对象的数量。
参数 buffers 是一个指向 GLuint 类型的数组，包含要删除的 VBO 对象的名称。

glBindBuffer(GLenum target, GLuint buffer)：

用于绑定一个 VBO 对象到指定的缓冲区类型。

参数 target 指定要绑定的缓冲区类型，如 GL_ARRAY_BUFFER 表示顶点属性数据缓冲区。
参数 buffer 是要绑定的 VBO 对象的名称。

glBufferData(GLenum target, GLsizeiptr size, const GLvoid *data, GLenum usage)：

用于分配内存空间并传递数据到 VBO。

target 指定要分配数据的缓冲区类型。
size 指定要分配的数据大小。
data 是指向要传递数据的指针。
usage 表示数据在未来的使用方式，如 GL_STATIC_DRAW 表示数据将被修改一次，但使用多次。

glVertexAttribPointer(GLuint index, GLint size, GLenum type, GLboolean normalized, GLsizei stride, const GLvoid *pointer)：

用于告诉 OpenGL 如何解释顶点数据。

index 指定顶点属性的索引。
size 指定每个顶点属性的组件数量。
type 指定顶点属性数据的类型。
normalized 表示是否对非浮点型数据进行归一化。
stride 表示相邻两个顶点属性之间的字节偏移量。
pointer 指定顶点数据在缓冲区中的偏移量。

glEnableVertexAttribArray(GLuint index)：

启用指定索引的顶点属性数组。

index 是要启用的顶点属性数组的索引。

2、修改之前的代码：

代码都是在com/example/glsurfaceviewdemo/Triangle.java修改的。

1）生成并绑定 VBO：

在 Triangle 类中，你需要生成并绑定一个 VBO 来存储顶点数据。这应该在构造函数中完成。

 private int mVboId; // 类成员变量
// 生成并绑定 VBO
int[] vbos = new int[1];
GLES30.glGenBuffers(1, vbos, 0);
mVboId = vbos[0];
GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, mVboId);

2）传递顶点数据到 VBO：

替代在构造函数中直接将顶点数据传递给 FloatBuffer，你应该将顶点数据传递到GPU的 VBO 中。这可以通过 glBufferData 实现。

 // 传递顶点数据到 VBO
GLES30.glBufferData(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, byteBuffer.capacity(), byteBuffer, GLES30.GL_STATIC_DRAW);

GLES30.GL_ARRAY_BUFFER: 这是一个缓冲区对象类型标识符，表示我们正在操作的是一个顶点数组缓冲区对象。在这里，我们将顶点数据存储在一个顶点数组缓冲区中。
byteBuffer.capacity(): 这里计算了顶点数据数组的总字节数。mTriangleCoords 是包含顶点坐标的浮点数组，每个浮点数占4个字节（float类型为32位，即4字节），所以乘以4得到总字节数。
byteBuffer: 这是存储顶点数据的缓冲区对象。在这里，我们使用 mVertexBuffer 存储了顶点数据，它是一个 FloatBuffer 类型的对象。
GLES30.GL_STATIC_DRAW: 这个标志告诉OpenGL ES如何处理缓冲区的数据。GL_STATIC_DRAW 表示数据将被设置一次，但将被多次使用。这个标志有助于OpenGL ES优化内存使用和性能。

注意：我们对所有的VBO操作都应该放在glLinkProgram后面，因为，所有的Shader都link之后，再操作VBO；

3）设置顶点属性指针：

在 draw() 方法中，你需要设置顶点属性指针以从 VBO 中读取顶点数据（就是告诉OpenGL如何解释顶点数据）。这可以通过 glVertexAttribPointer 和 glEnableVertexAttribArray 实现。

public void draw() {
   
   
    GLES30.glUseProgram(mProgram);

    // 确保绑定 VBO （保险措施）
    GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, mVboId[0]);

    // 设置顶点属性指针
    int positionHandle = GLES30.glGetAttribLocation(mProgram, "vPosition");
    GLES30.glEnableVertexAttribArray(mPositionHandle);
    GLES30.glVertexAttribPointer(mPositionHandle, COORDS_PER_VERTEX, GLES30.GL_FLOAT, false, 0, 0);

    // 设置颜色句柄和绘制三角形
    int colorHandle = GLES30.glGetUniformLocation(mProgram, "vColor");
    GLES30.glUniform4fv(colorHandle, 1, mColor, 0);
    GLES30.glDrawArrays(GLES30.GL_TRIANGLES, 0, mTriangleCoords.length / COORDS_PER_VERTEX);

    // 禁用顶点属性数组
    GLES30.glDisableVertexAttribArray(mPositionHandle);

    // 解绑 VBO
    GLES30.glBindBuffer(GLES30.GL_ARRAY_BUFFER, 0);
}

通过在每次绘制结束后禁用顶点属性数组和解绑 VBO，您可以确保在下一次绘制之前不会使用或修改之前设置的数据，从而避免潜在的渲染问题。

4）修改后完整代码：

package com.example.glsurfaceviewdemo;

import android.content.Context;
import android.opengl.GLES30;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.ByteOrder;
import java.nio.FloatBuffer;

import javax.microedition.khronos.opengles.GL;

public class Triangle {
   
   
    // 顶点数据是float类型，因此，使用这个存储
    private FloatBuffer mVertexBuffer;
    // VBO存储顶点数据
    private int mVboId;

    private int mProgram;
    // 定义的三角形顶点坐标数组
    private final float[] mTriangleCoords = new float[]{
   
   
            0.0f, 0.2f, 0.0f,   // 顶部
            -0.5f, -0.5f, 0.0f, // 左下角
            0.5f, -0.5f, 0.0f   // 右下角
    };

    public Triangle(Context context) {
   
   
        // 为顶点坐标分配DMA内存空间
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(mTriangleCoords.length * 4);
        byteBuffer.order(ByteOrder.nativeOrder()); // 设置字节顺序为本地字节顺序(会根据硬件架构自适应大小端)
        mVertexBuffer = byteBuffer.asFloatBuffer(); // 将字节缓冲区转换为浮点缓冲区
        mVertexBuff