OpenGL：Uniform Block

原创于 2025-11-15 19:35:21 发布 · 441 阅读

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在使用着色器的时候，会出现一个问题，很多着色器会共享相同的 uniform 数据，比如projection, view 矩阵，这无形中对于性能是一种浪费。在OpenGL中，提供了一种方式，Uniform Block 可以解决这个问题。

Uniform Block Object

Uniform Block 也是一种 buffer ，和 VBO, EBO 一样，将数据绑定到上面去，然后就可以使用，所以可以将它称之为 UBO 。

将共享数据存储在一个与特定 binding point 关联的 UBO 缓冲对象 之后，在需要使用该共享数据的着色器中，只需要声明一个与该 binding point 关联的 uniform block 。这样，所有链接到同一个 binding point 的不同着色器程序都可以自动访问该 UBO 中的共享数据 。之后只需要更新 UBO 缓冲区本身一次（例如在投影或视图矩阵变化时），所有关联的着色器就都能获取到新数据，**无需再使用 glUniform* 函数对_每个_着色器程序单独设置这些 uniform 值。因此 传输操作的次数显著减少，特别是当很多着色器共享相同数据时。”

GLuint ubo;
glGenBuffers(1, &ubo);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, ubo);
// 这里不填充数据，只是为了在GPU设置一片区域用于存储 uniform block的数据
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(uniform block), nullptr, GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

Uniform Block Layout

在 uniform block 的使用中，理解其内存布局是实现 CPU 端与 GPU 端数据正确匹配的关键问题。OpenGL 提供了几种布局规范，其中 std140 是最常用的标准：

layout (std140) uniform Matrices {
	mat4 projection;
	mat4 view;
};

对于 std140 的数据布局规则，每种数据类型都有它自己的 base alignment，在 block 中的数据还有一个相对于block 开始位置的偏移，这个偏移量的计算需要用到每种数据类型的 base alignment。下面是每种数据类型的布局规则。每4个字节用一个 N 表示。

类型	布局规则
标量，比如int和bool	每个标量的基准对齐量为N。
向量	2N或者4N。这意味着vec3的基准对齐量为4N。
标量或向量的数组	每个元素的基准对齐量与vec4的相同。
矩阵	储存为列向量的数组，每个向量的基准对齐量与vec4的相同。
结构体	等于所有元素根据规则计算后的大小，但会填充到vec4大小的倍数。

计算的一个例子：

layout (std140) uniform ExampleBlock {
                     // 基准对齐量       // 对齐偏移量
    float value;     // 4               // 0 
    vec3 vector;     // 16              // 16  (必须是16的倍数，所以 4->16)
    mat4 matrix;     // 16              // 32  (列 0)
                     // 16              // 48  (列 1)
                     // 16              // 64  (列 2)
                     // 16              // 80  (列 3)
    float values[3]; // 16              // 96  (values[0])
                     // 16              // 112 (values[1])
                     // 16              // 128 (values[2])
    bool boolean;    // 4               // 144
    int integer;     // 4               // 148
};

如何使用

创建 UBO，分配GPU空间

glGenBuffers(1, &uboMatrices);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboMatrices);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 2 * sizeof(glm::mat4), nullptr, GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

绑定 UBO 到指定的绑定点

// 将 uboMatrices 绑定到0号绑定点
glBindBufferBase(GL_UNIFORM_BUFFER, 1, uboMatrices);
// 也可以用下面的函数进行绑定，
glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 1, uboMatrices, 0, 2 * sizeof(glm::mat4));

void glBindBufferRange(GLenum target, GLuint index, GLuint buffer, GLintptr offset, GLsizeiptr size)：指定位置 index，绑定 buffer 到 target上，数据从 offset 开始，大小为 size。

将着色器中需要使用到的共享 uniform 数据也绑定到和 UBO 相同的绑定点。

// 可以先获取到原来的绑定点
GLuint bindingIndex = glGetUniformBlockIndex(shader.ID, "Matrices");
// 然后当前的绑定点换到 UBO 所绑定的绑定点上（上一步是绑定到1位置，所以这里也是写0位置）
glUniformBlockBinding(shader.ID, bingdingIndex, 1);

在OpenGL4.2开始，可以GLSL中直接指定绑定点：

layout (std140, binding=1) uniform Matrices {
    mat4 projection;
    mat4 view;
};

在使用Sampler的时候也是一样可以这样绑定的
layout (binding = 0) uniform sampler2D samp;

将数据传入到 UBO 中

glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboMatrices);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, sizeof(glm::mat4), glm::value_ptr(pMat));
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), glm::value_ptr(vMat));
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);