C++游戏引擎开发指南：深入理解顶点索引优化-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/gitblog_00388/article/details/148601807

C++游戏引擎开发指南：深入理解顶点索引优化

cpp-game-engine-book 从零编写游戏引擎教程 Writing a game engine tutorial from scratch 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/cpp-game-engine-book

引言

在现代图形编程中，优化渲染性能是一个永恒的话题。本文将深入探讨OpenGL中的顶点索引技术，这是提高3D渲染效率的重要方法之一。我们将从基础概念出发，逐步深入到实际应用，帮助读者全面理解顶点索引的原理和实现方式。

顶点索引的基本概念

为什么需要顶点索引？

在传统3D渲染中，绘制一个简单的正方形需要6个顶点数据（两个三角形组成）。但实际上，正方形只有4个独特的顶点。这种重复不仅增加了GPU内存的负担，还导致顶点着色器执行不必要的重复计算。

顶点索引技术通过以下方式解决这个问题：

存储唯一的顶点数据
使用索引数组描述如何连接这些顶点形成图元
显著减少内存占用和计算量

索引工作原理

以一个正方形为例，传统方式需要6个顶点：

static const glm::vec3 kPositions[6] = {
    // 第一个三角形
    { -1.0f, -1.0f, 0.0f}, // 左下
    {  1.0f, -1.0f, 0.0f}, // 右下
    {  1.0f,  1.0f, 0.0f}, // 右上
    // 第二个三角形
    {  1.0f,  1.0f, 0.0f}, // 右上
    { -1.0f, -1.0f, 0.0f}, // 左上
    { -1.0f,  1.0f, 0.0f}  // 左下
};

使用索引后，只需存储4个唯一顶点和6个索引：

static const glm::vec3 kPositions[4] = {
    { -1.0f, -1.0f, 0.0f}, // 左下
    {  1.0f, -1.0f, 0.0f}, // 右下
    {  1.0f,  1.0f, 0.0f}, // 右上
    { -1.0f,  1.0f, 0.0f}  // 左上
};

static const unsigned short indices[6] = {
    // 第一个三角形
    0, 1, 2,
    // 第二个三角形
    2, 3, 0
};

顶点的完整定义

顶点数据结构

在图形编程中，一个顶点通常包含多种属性：

位置坐标 (Position)
颜色值 (Color)
纹理坐标 (UV)
法线向量 (Normal)
切线向量 (Tangent)

这些属性共同构成了顶点的完整定义。任何属性的变化都会产生一个独特的新顶点。

结构体表示

我们可以用结构体来组织这些属性：

struct Vertex {
    glm::vec3 pos_;    // 位置坐标
    glm::vec4 color_;  // 颜色值(RGBA)
    glm::vec2 uv_;     // 纹理坐标
    // 可扩展添加法线等属性
};

这种组织方式使顶点数据更易于管理和优化。

顶点索引的实际应用

去重优化流程

收集原始顶点数据：获取模型的所有原始顶点
创建唯一顶点列表：去除完全相同的顶点
构建索引数组：记录原始顶点在唯一列表中的位置
计算节省量：比较优化前后的内存占用

代码实现

// 去重的顶点列表
static vector<Vertex> kUniqueVertices;
// 顶点索引数组
static vector<unsigned short> kIndices;

// 顶点去重函数
static void RemoveDuplicateVertices() {
    for (int i = 0; i < originalVertexCount; ++i) {
        const Vertex& v = originalVertices[i];
        // 检查顶点是否已存在
        auto it = find_if(kUniqueVertices.begin(), kUniqueVertices.end(),
            [&](const Vertex& v2) {
                return v.pos_ == v2.pos_ && 
                       v.color_ == v2.color_ && 
                       v.uv_ == v2.uv_;
            });
        
        if (it != kUniqueVertices.end()) {
            // 顶点已存在，记录索引
            kIndices.push_back(distance(kUniqueVertices.begin(), it));
        } else {
            // 新顶点，添加到列表并记录索引
            kIndices.push_back(kUniqueVertices.size());
            kUniqueVertices.push_back(v);
        }
    }
}

使用索引绘制

glDrawElements API

OpenGL提供了glDrawElements函数来使用索引绘制：

glDrawElements(GL_TRIANGLES,       // 绘制模式
               indexCount,        // 索引数量
               GL_UNSIGNED_SHORT,  // 索引数据类型
               indices);          // 索引数组指针

性能对比

以一个立方体为例：

传统方式：36个顶点
索引优化后：16个唯一顶点 + 36个索引
内存节省：约55%（不考虑索引数组）

高级话题

索引数据类型选择

OpenGL支持多种索引数据类型：

GL_UNSIGNED_BYTE：最大255个顶点
GL_UNSIGNED_SHORT：最大65535个顶点
GL_UNSIGNED_INT：最大4294967295个顶点

应根据模型复杂度选择合适的类型。

索引缓冲对象(IBO)

与顶点缓冲对象(VBO)类似，索引也可以存储在GPU缓冲区中，进一步提高性能：

GLuint IBO;
glGenBuffers(1, &IBO);
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, IBO);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 
             sizeof(indices[0]) * indexCount,
             indices, GL_STATIC_DRAW);