理解glVertexAttribPointer、glEnableVertexAttribArray、VAO、VBO的关系

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#VAO #VBO #OPenGL

于 2017-02-21 16:12:59 首次发布

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本文详细介绍了OpenGL中VAO和VBO的概念及其工作原理。VAO作为一个容器，用于存储顶点属性设置；VBO则作为图形卡上的内存缓冲区，用于存储顶点数据。二者结合使用能显著提高渲染效率。

OpenGL抛弃glEnable(),glColor(),glVertex(),glEnable()这一套流程的函数和管线以后，就需要一种新的方法来传递数据到Graphics Card来渲染几何体，我们可以用VBO，在3+版本我们可以使用Vertex Array Object-VAO，VAO是一个对象，其中包含一个或者更多的Vertex Buffer Objects。而VBO是Graphics Card中的一个内存缓冲区，用来保存顶点信息，颜色信息，法线信息，纹理坐标信息和索引信息等等。

VAO在Graphics Card线性的存储几个对象信息，替代了以前发送我们需要的数据到Graphics Card上，这也是Direct3D没有立即模式情况下工作的方法，这就意味着应用程序不需要传输数据到Graphics Card上而得到较高的性能。一个VAO有多个VBO，如下图所示：

VAO是一个容器，它将所有可以由glVertexAttribPointer和其它一些函数进行设置的状态包装到一起。在使用一个VAO时，所有通过一次glVertexAttribPointer调用来指定的状态都会被存储到当前的VAO中,glVertexAttribPointer 指定了渲染时索引值为 index 的顶点属性数组的数据格式和位置。它们之间也是通过上下文，只有唯一的激活VAO，在VAO后创建的VBO都属于该VAO。关联VBO数据用取得当前激活的缓存区对象偏移来指定。

说白了，VAO可以想象为是一个大瓶子；VBO是一个内存缓冲区，用来保存顶点信息，颜色信息，法线信息，纹理坐标信息和索引信息等等；glVertexAttribPointer调用后，就相当于把多个VBO丢进指定的瓶子（在最近一次代码中创建的VAO）中装起来了，之后瓶子的瓶盖是紧紧盖着没打开状态，调用glEnableVertexAttribArray（其参数和glVertexAttribPointer函数的第一个参数相同，具体参考《glVertexAttribPointer第1个参数及着色器中的location的作用》）后，瓶盖就打开了，然后调用诸如：glDrawArrays、glDrawElements、glDrawElementsBaseVertex等绘图函数后，就相当于瓶子中存放的多个VBO中的数据都出来了，一次性并发送到GPU进行绘制。采用VBO、VAO节省了绘制多个物体时 CPU 与 GPU 之间的通讯时间，提高了渲染性能。

需要特别注意的是，在stackoverflow发现了这句话，如果你的VAO不能绘制出东西:
If you're on OpenGL-4 core, you need to create a VAO first, otherwise nothing will draw

注： VAO和VBO都是用来存储顶点信息的，并把这些信息送入顶点着色器。至于什么是顶点和顶点着色器，这里就不多说了，不了解的读者可自行优快云。

VBO的B为Buffer之意，用来存储顶点数据；VAO的A为Array，但我认为理解为 Attribute(属性) 之意更好，意思是 Buffer(VBO)的属性。

即，我们用VBO来存储数据，而用VAO来告诉计算机这些数据分别有什么属性、起什么作用。

一、VBO的作用

VBO是 CPU 和 GPU 之间传递信息的桥梁，我们把数据存入VBO(这一步在CPU执行)，然后VBO会自动把数据送入GPU。

送入GPU这一步，不需任何人为操作，用户只负责往VBO中存入数据就可以了。如下：

但是，对GPU来说，VBO中存的就只是一堆数字而已，要怎么解释它们呢？这就要用到VAO了

二、VAO的作用

VBO是为了向GPU传递顶点数据，那么VAO就是为了向GPU解释顶点数据。有的读者会奇怪，顶点数据无非是一个个三维坐标，三个为一组，传就传了，为什么还需要解释呢？那么我们来看下面这个VBO中的数据：

float buffer = {
   	//顶点坐标(3个一组)              //顶点颜色（3个一组）              //纹理坐标(2个一组)
    0.5f,  0.5f, 0.0f,                1.0f, 0.0f, 0.0f,               1.0f, 1.0f,
    0.5f, -0.5f, 0.0f,                0.0f, 1.0f, 0.0f,               1.0f, 0.0f,
   -0.5f, -0.5f, 0.0f,                0.0f, 0.0f, 1.0f,               0.0f, 0.0f,
   -0.5f,  0.5f, 0.0f,                1.0f, 1.0f, 0.0f,               0.0f, 1.0f
};
//以上数据仅为本博文编造，不具有实操意义

由以上数据可见，顶点数据并非只是三个为一组的三维坐标！

如果我们向VBO中传入了以上buffer，并且VBO把它们送入了GPU。

然而，顶点着色器不知道该如何解释这些数字，到底是把它们3个一组，还是先3个一组、后2个一组，或者是3个、2个、3个？

GPU并不知道。

这就需要VAO的参与了，它负责告诉GPU，VBO中的信息到底该以几个为一组。如下这一段程序，就是把对VBO中数据的描述存到了一个VAO中：

	//vertex coord
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)0);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    // color attribute
    glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(3 * sizeof(float)));
    glEnableVertexAttribArray(1);
    // texture coord attribute
    glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(float), (void*)(6 * sizeof(float)));
    glEnableVertexAttribArray(2);

上面程序看似有三段(glVertexAttribPointer() + glEnableVertexAttribArray()为一段)，但它们都存在同一个VAO里。(这里就不介绍glVertexAttribPointer()和glEnableVertexAttribArray()函数的作用了，不懂的读者可以上网去查。)

在一些复杂的OpenGL程序中，VBO可能会有多个，但VAO只有一个。那么，如何用一个VAO来解释多个VBO呢？

三、一个VAO和多个VBO

在OpenGL程序中，VBO可能会有多个，但VAO只有一个。那么，如何用一个VAO来解释多个VBO呢？

这就涉及到OpenGL的上下文知识：一个完整的OpenGL程序相当于一个容器，我们在用到VAO、VBO时，需要先绑定(Bind操作)、再使用，没有经过绑定的VAO/VBO是不起作用的。

一个VAO和多个VBO之间的关系大致如下所示：

那么，根据一个VAO与多个VBO的关系，以及OpenGL上下文(绑定)的知识，用一个VAO来解释多个VBO的操作流程就如下：

首先，绑定VAO，以告知OpenGL程序该使用这个VAO来对VBO做出解释。

然后，绑定第一个VBO，向这个VBO中写入数据，告知VAO该如何解释这个VBO的信息；
然后，解绑这个VBO。

然后，绑定第二个VBO，向这个VBO中写入数据，并在VAO中保存该如何解释这个VBO的信息；
然后，解绑这个VBO。
……

如下一段程序：

	unsigned int VBO[2], VAO;
	glGenVertexArrays(1, &VAO);
	glGenBuffers(2, VBO);

//=绑定VAO=======
glBindVertexArray(VAO);
//===============================================================

//=绑定第一个VBO======
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO[0]);
//===============================================================

// 向VBO填充数据

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sphereVertices.size() * sizeof(float), &sphereVertices[0], GL_STATIC_DRAW); //向第一个VBO中写入数据

//告知VAO该如何解释第一个VBO的信息=
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 sizeof(float), (void)0);
glEnableVertexAttribArray(0);
//===============================================================

//=解绑第一个VBO=====
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
//===============================================================

//=绑定第二个VBO======
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO[1]);
//===============================================================

// 向VBO填充数据

glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(texVertrices), texVertrices, GL_STATIC_DRAW);//向第二个VBO中写入数据

//告知VAO该如何解释第二个VBO的信息=
glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 sizeof(float), (void)0);
glEnableVertexAttribArray(1);
//=============================================================