osg::DrawElements*系列函数及GL_QUAD_STRIP、GL_QUADS绘制四边形效率对比

目录

1. 前言

2. osg::DrawElements*系列函数用法说明

3. GL_QUADS、GL_QUAD_STRIP用法及不同点

4. 效率对比

5. 总结

6. 参考资料

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1. 前言

      利用osg绘制图元，如：三角形、四边形等，一般用osg::PrimitiveSet类。其派生出了很多子类，如下图所示：

图1 

在开发中，用DrawElements*系列函数和osg::DrawArrays函数绘制图元比较多，本文以绘制四边形为例子，以osg::DrawElementsUShort、osg::DrawArrays来讲解怎样绘制四边形，及GL_QUAD_STRIP、GL_QUAD的不同、它们之间的效率。

2. osg::DrawElements*系列函数用法说明

      osg::DrawElements*系列函数osg::DrawElementsUShort、osg::DrawElementsUBye、osg::DrawElementsUInt从osg::DrawElements派生，而osg::DrawElements对应OPenGL的glDrawElements函数，关于glDrawElements函数用法，请参考：

《glDrawElements用法说明》。

   osg::DrawArrays 类在直接从数组读取顶点数据时效果很好，没有间隙。 但是，当同一个顶点可以属于一个对象的多个面时，它就不那么有效了。 考虑这个例子：

图2 

一个立方体有八个顶点。 然而，从图中可以看出（我们正在考虑将一个立方体扫到一个平面上），一些顶点属于多个面。 如果我们构建一个包含 12 个三角形面的立方体（注：虽然是绘制四边形，但GPU等硬件在真正绘制时，是用两个三角形来拼出一个四边形的，对于硬件来说绘制2个三角形比直接一个四边形效率更高，故6个四边形其实内部绘制是12个三角形绘制的），那么这些顶点将重复，而不是 8 个顶点的数组，我们将得到 36 个顶点的数组，其中大部分实际上是相同的顶点！ 

      在OSG中，有类 osg::DrawElementsUInt、 osg::DrawElementsUByte和 osg::DrawElementsUShort，它们使用顶点索引数组作为数据，旨在解决上述问题。 索引数组存储描述几何体的面和其他元素的图元顶点的索引。 将这些类应用于立方体时，存储八个顶点的数据就足够了，这些顶点通过索引数组与面相关联。

   osg::DrawElements* 类型的类的设计方式与标准 std::vector 类的设计方式相同。 此代码可用于添加索引。如：

osg::ref_ptr<osg::DrawElementsUInt> de = new osg::DrawElementsUInt(GL_TRIANGLES);
de->push_back(0); 
de->push_back(1); 
de->push_back(2);
de->push_back(3); 
de->push_back(0); 
de->push_back(2); 

此代码定义图2中所示的立方体的正面。考虑另一个说明性的例子——八面体。

图3 

很有趣，因为它只包含六个顶点，但每个顶点已经在四个三角形面中了！ 我们可以使用 osg::DrawArrays 创建一个包含 24 个顶点的数组来显示所有八个面。 然而，我们将采取不同的方式——我们将顶点存储在一个包含六个元素的数组中，并使用类 osg::DrawElementsUInt 生成面。

main.h

#ifndef     MAIN_H
#define     MAIN_H
#include<osg/Geometry>
#include<osg/Geode>
#include<osgUtil/SmoothingVisitor>
#include<osgViewer/Viewer>
#endif

 main.cpp

#include"main.h"
int main(int argc, char *argv[]){
    
    osg::ref_ptr<osg::Vec3Array> vertices = new osg::Vec3Array(6);
    (*vertices)[0].set( 0.0f,  0.0f,  1.0f);
    (*vertices)[1].set(-0.5f, -0.5f,  0.0f);
    (*vertices)[2].set( 0.5f, -0.5f,  0.0f);
    (*vertices)[3].set( 0.5f,  0.5f,  0.0f);
    (*vertices)[4].set(-0.5f,  0.5f,  0.0f);
    (*vertices)[5].set( 0.0f,  0.0f, -1.0f);
    
    osg::ref_ptr<osg::DrawElementsUInt> indices = new osg::DrawElementsUInt(GL_TRIANGLES, 24);
    (*indices)[ 0] = 0; (*indices)[ 1] = 1; (*indices)[ 2] = 2;
    (*indices)[ 3] = 0; (*indices)[ 4] = 4; (*indices)[ 5] = 1;
    (*indices)[ 6] = 4; (*indices)[ 7] = 5; (*indices)[ 8] = 1;
    (*indices)[ 9] = 4; (*indices)[10] = 3; (*indices)[11] = 5;
    (*indices)[12] = 3; (*indices)[13] = 2; (*indices)[14] = 5;
    (*indices)[15] = 1; (*indices)[16] = 5; (*indices)[17] = 2;
    (*indices)[18] = 3; (*indices)[19] = 0; (*indices)[20] = 2;
    (*indices)[21] = 0; (*indices)[22] = 3; (*indices)[23] = 4;
    
    osg::ref_ptr<osg::Geometry> geom = new osg::Geometry;
    geom->setVertexArray(vertices.get());
    geom->addPrimitiveSet(indices.get());
    
    osgUtil::SmoothingVisitor::smooth(*geom);
    
    osg::ref_ptr<osg::Geode> root = new osg::Geode;
    root->addDrawable(geom.get());
    
    osgViewer::Viewer viewer;
    viewer.setSceneData(root.get());
    
    return viewer.run();
}

上述代码先创建一个有六个顶点的数组，然后使用指针解引用操作和 operator [] 操作符寻址其坐标向量 赋值。别忘了 osg::Array 是 std::vector 的派生类。然后为面创建为顶点索引列表。面将是三角形的，共有 8 个，这意味着索引列表应包含 24 个元素。 面索引按顺序进入此数组：例如，面 0 由顶点 0、1 和 2 组成； 面 1 - 顶点 0、4 和 1； 面 2 - 顶点 4、5 和 1，依此类推。 顶点按逆时针顺序列出，如果你看正面（见图3）。

3. GL_QUADS、GL_QUAD_STRIP用法及不同点

      GL_QUADS：绘制一系列四边形，首先使用顶点V0、V1、V2、V3绘制第1个四边形，然后是V4、V5、V6、V7绘制第2个四边形，接下来以次类推，如果顶点个数n不是4的倍数，最后1个、2个、3个顶点被忽略。注意：如果四边形之间的顶点坐标不相同，则这些四边形是分离的，如下：

图4 

GL_QUAD_STRIP：绘制一系列四边形，首先使用顶点V0、V1、V3、V2绘制第1个四边形，接着是V2、V3、V5、V4，然后是V4、V5、V7、V6。以此类推。顶点个数n至少要大于4，否则不会绘制任何四边形。如果n是奇数，最后一点顶点就被忽略。如下：

图5 

GL_QUAD_STRIP画出一组共享边的四边形。对于较小的模型，共享边的差异可以忽略不计；对于较大的模型，使用GL_QUAD_STRIP意味着显著地节省了计算次数。从第一对顶点开始，相邻的两对定点被定义成一个四边形。定点 2n-1、2n、2n+2和2n+1定义了第n个四边形。有|V|/2-1个四边形将被绘制，|V|代表顶点的个数，如果|V|小于4，OpenGL将不会绘制任何图形。所有四边形将以逆时针顺序排列，互相连接形成四边形带。注意用来构成四边形的顶点顺序和使用GL_QUADS时的顺序是不同的，每一个四边形的第二对定点被逆向使用，以使每一个四边形顶点能被一致地定义。  

图6 

4. 效率对比

       本节以osg::DrawElements*系列函数及GL_QUAD_STRIP、GL_QUADS绘制四边形，以看看它们之间的效率差别。绘制10个连接的立方体如下：

图7

代码如下：

// QUAD_STRIP.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//

#include<osgViewer/Viewer>
#include<osgViewer/ViewerEventHandlers>
#include<osg/PolygonMode>
#include<iostream>
//const auto g_quadCount = 1000000;
const auto g_quadCount = 10;

osg::ref_ptr<osg::Geode> createQuads3()
{
	osg::ref_ptr<osg::Geode> spGeode = new osg::Geode;// Geode是Node的派生类，为了绘制图元的管理类

	osg::ref_ptr<osg::Geometry> spGeometory = new osg::Geometry;
	spGeode->addChild(spGeometory);

	osg::ref_ptr<osg::Vec3Array> spCoordsArray = new osg::Vec3Array;
	auto offset = 0;
    int nGeomeryCount = 0;
   while (true)
   {
	   // 前面
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0));  // 前左下顶点  V1
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0));   // 前右下顶点  V2
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0));   // 前左上顶点  V3。注意：前左上顶点才是第3个顶点，而不是前右上顶点 
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0));    // 前右上顶点  V4
	   
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0));    // V5
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0));     // V6
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0));   // V7
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0));    // V8

	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0));    // V9
	   spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0));    // V10
	   
	   offset += 2; // y轴方向上宽度为2
	   nGeomeryCount++;
	   if (g_quadCount == nGeomeryCount)
	   {
		   break;
	   }
   }

   spGeometory->setVertexArray(spCoordsArray);
   spGeometory->addPrimitiveSet(new osg::DrawArrays(GL_QUAD_STRIP, 0, spCoordsArray->size()));

   return spGeode;
}

osg::ref_ptr<osg::Geode> createQuads2()
{
	osg::ref_ptr<osg::Geode> spGeode = new osg::Geode;// Geode是Node的派生类，为了绘制图元的管理类

	osg::ref_ptr<osg::Geometry> spGeometory = new osg::Geometry;
	spGeode->addChild(spGeometory);
	//spGeode->addDrawable(spGeometory);// 可以将addChild替换为这句。
	
	osg::ref_ptr<osg::Vec3Array> spCoordsArray = new osg::Vec3Array;
	auto totalVertCount = g_quadCount * 8;
	osg::DrawElementsUShort* pDrawElemt = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS, 24 * g_quadCount); // 立方体共8个顶点,每个顶点重复了3次

	auto iVertCount = 0;
	for (auto offset = 0; ; offset += 2)
	{
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0));  // 0
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0));   // 1
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0));    // 2
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0));   // 3

		iVertCount += 4;
		if (iVertCount >= totalVertCount)
		{
			break;
		}
	}
	
	for (auto guadIndex = 0; guadIndex < g_quadCount; ++guadIndex)
	{
		auto nElementIndex = guadIndex * 24;

		// 右侧面
		auto temp = 4 * guadIndex;
		(*pDrawElemt)[0 + nElementIndex] = 0 + temp;
		(*pDrawElemt)[1 + nElementIndex] = 4 + temp;
		(*pDrawElemt)[2 + nElementIndex] = 5 + temp;
		(*pDrawElemt)[3 + nElementIndex] = 1 + temp;

		// 前面
		if (0 == guadIndex % 2)// 前一个立方体的后面和后一个立方体的前面重合，故只绘制一个
		{
			(*pDrawElemt)[4 + nElementIndex] = 0 + temp;
			(*pDrawElemt)[5 + nElementIndex] = 1 + temp;
			(*pDrawElemt)[6 + nElementIndex] = 2 + temp;
			(*pDrawElemt)[7 + nElementIndex] = 3 + temp;
		}

		// 左侧面
		(*pDrawElemt)[8 + nElementIndex] = 3 + temp;
		(*pDrawElemt)[9 + nElementIndex] = 7 + temp;
		(*pDrawElemt)[10 + nElementIndex] = 6 + temp;
		(*pDrawElemt)[11 + nElementIndex] = 2 + temp;

		// 上面
		(*pDrawElemt)[12 + nElementIndex] = 1 + temp;
		(*pDrawElemt)[13 + nElementIndex] = 5 + temp;
		(*pDrawElemt)[14 + nElementIndex] = 6 + temp;
		(*pDrawElemt)[15 + nElementIndex] = 2 + temp;

		// 后面
		(*pDrawElemt)[16 + nElementIndex] = 4 + temp;
		(*pDrawElemt)[17 + nElementIndex] = 5 + temp;
		(*pDrawElemt)[18 + nElementIndex] = 6 + temp;
		(*pDrawElemt)[19 + nElementIndex] = 7 + temp;

		// 底面
		(*pDrawElemt)[20 + nElementIndex] = 0 + temp;
		(*pDrawElemt)[21 + nElementIndex] = 4 + temp;
		(*pDrawElemt)[22 + nElementIndex] = 7 + temp;
		(*pDrawElemt)[23 + nElementIndex] = 3 + temp;

	}

	spGeometory->setVertexArray(spCoordsArray);
	spGeometory->addPrimitiveSet(pDrawElemt);
	
	return spGeode;
}

osg::Geode* createQuads1()
{
	auto pGeode = new osg::Geode;

	auto pGeomery = new osg::Geometry;
	pGeode->addChild(pGeomery);
	auto spCoordsArray = new osg::Vec3Array;
	auto offset = 0;
	int nGeomeryCount = 0;
	while (true)
	{
		// 右侧面
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0));  // 前右下顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0));   // 后右下顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0));    // 后右上顶点 
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0));   // 前右上顶点

		// 前面
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0));  // 右下顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0));   // 右上顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0));  // 左上顶点 
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 左下顶点

		// 左侧面
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0));  // 前左下顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0));   // 前左上顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0));    // 后左上顶点 
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0));   // 后左下顶点

		// 后面
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0));    // 后下顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0));     // 后上顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0));    // 左上顶点 
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0));   // 左下顶点

		// 上面
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0));     // 前右顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0));      // 后右顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0));     // 后左顶点 
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0));    // 前左顶点

		// 底面
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0));     // 前右顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0));     // 后右顶点
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0));    // 后左顶点 
		spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0));   // 前左顶点
		
		offset += 2; // y轴方向上宽度为2
		nGeomeryCount++;
		if (g_quadCount == nGeomeryCount)
		{
			break;
		}
	}
	
	pGeomery->setVertexArray(spCoordsArray);
	pGeomery->addPrimitiveSet(new osg::DrawArrays(GL_QUADS, 0, spCoordsArray->size()));
	
	return pGeode;
}

int main()
{
    auto pRoot = new osg::Group;

	auto pGeode = createQuads3();
	pGeode->getOrCreateStateSet()->setAttribute(
		new osg::PolygonMode(osg::PolygonMode::FRONT_AND_BACK, osg::PolygonMode::LINE));
	pGeode->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF);

	pRoot->addChild(pGeode);
	
	auto pViewer = new osgViewer::Viewer;
	auto pStatsHander = new osgViewer::StatsHandler;
	pViewer->addEventHandler(pStatsHander);
	pViewer->setSceneData(pRoot);
	pViewer->run();
}

 当g_quadCount为10时，把第195行代码分别换成createQuads1、createQuads2、createQuads3，在视景器窗体中连续按4次键盘小写s键时，createQuads1函数即用osg::DrawArrays及GL_QUADS各性能指标如下：

图8 osg::DrawArrays及GL_QUADS绘制10个立方体时的各性能指标

createQuads2函数即用osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS各性能指标如下：

图9 osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS绘制10个立方体时的各性能指标 

createQuads3函数即用osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP各性能指标如下： 

图10 osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP绘制10个立方体时的各性能指标  

当绘制的立方体个数为10即立方体个数很少时，这三者在GPU占用、帧率、绘制、裁剪等方面差别不是很大。

当将g_quadCount改为1000000时， createQuads1函数即用osg::DrawArrays及GL_QUADS各性能指标如下：

图11 osg::DrawArrays及GL_QUADS绘制1000000个立方体时的各性能指标 

createQuads2函数即用osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS各性能指标如下： 

图12 osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS绘制1000000个立方体时的各性能指标  

createQuads3函数即用osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP各性能指标如下： 

图13 osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP绘制100000个立方体时的各性能指标  

当要绘制的立方体很多时， 采用osg::DrawArrays和GL_QUAD_STRIP明显比osg::DrawElementsUShort及osg::DrawArrays和GL_QUADS效率高很多、GPU占用大大减少、帧率高；而osg::DrawElementsUShort和GL_QUADS比osg::DrawArrays和GL_QUADS效率高一些，因为osg::DrawElementsUShort采取的是点的索引，剔除了重复，所以效率会高点。

5. 总结

• osg::DrawElements*系列函数采用点的索引绘制图元，而osg::DrawArrays采用点的数组来绘制图元，当点个数很多时，前者效率高些。
• 当点个数是巨大量时，GL_QUAD_STRIP比采用GL_QUADS效率高很多。同样地GL_TRIANGLE_STRIP绘制三角形时效率比GL_TRIANGLES高。
• 上述代码main函数中用到了统计和性能相关的各项参数的osgViewer::StatsHandler类，关于该类的用法，请参考：浅谈osgViewer::StatsHandler、osg::Stats类的用法

6. 参考资料

【1】：OpenGL编程指南（原书第7版）。

【2】：理解GL_QUAD_STRIP。

【3】：OSG几何开发快速教程。