OpenGL编程指南6：顶点数组

1.前言

前面的例子中，我们可以看到，OpenGL需要进行大量的函数调用才能完成对几何图元的渲染。绘制一个20条边的多边形至少需要22个函数调用。首先调用一个glBegin(),然后为每个顶点调用一次函数，最后调用1次glEnd().如果我们还要添加其他的额外信息（如多边形边界标志或表面法线），在每个顶点上还要增加函数调用。这可能会成倍地增加渲染几何物体所需要的函数调用数量。在很多系统中，函数调用具有相当大的开销，可能会影响应用程序的性能。

另一个问题是，相邻多边形的共享定点的冗余处理。如上图所示的立方体具有六个面和8个共享顶点。遗憾的是，如果按照标准方法描述这个物体，每个顶点必须被指定3次，因为每个顶点都在三个面上。这样就造成了大量的冗余。

幸运的是，OpenGL提供了一些顶点数组函数，允许只用少数几个数组指定大量的与顶点相关的数据，并用少量函数调用（与顶点数组的数量相仿）访问这些数据。使用顶点数组函数，一个拥有20条边的多边形的顶点可以放在一个数组中，并且只通过1个函数进行调用。其实有其他如文理、法向量等，也可以只通过1个函数进行调用。

把数据放在顶点数组中可以提高应用程序的性能。使用顶点数组可以减少函数的调用次数，从而提高性能，也可以避免共享顶点的冗余处理。

2.顶点数组对几何图形渲染步骤

1.激活/启用最多可达8个数组

每个数组用于存储不同类型的数据：顶点坐标、表面法线、RGBA颜色、辅助颜色、颜色索引、雾坐标、纹理坐标以及多边形的边界标志。

该步骤是调用void glEnableClientState(GLenum array)函数实现。

array指定了需要启用的数组。其参数可以是下面常量：GL_VERTEX_ARRAY / GL_COLOR_ARRAY / GL_SECONDARY_COLOR_ARRRAY / GL_INDEX_ARRAY / GL_NORMAL_ARRAY / GL_FOG_COORDINATE_ARRAY / GL_TEXTURE_COORD_ARRAY / GL_EDGE_FLAG_ARRAY.

例如，如果我们需要光照，就可以为每一个顶点定义一条发现向量。这种情况下使用顶点数组时，需要同时激活表面法向数组和顶点坐标数组。

glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);

void display(void)  {      glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);      GLfloat vertices[]={0.25,0.25,                        0.75,0.25,                        0.75,0.75,                        0.25,0.75};    GLfloat colors[]={1.0, 0.0, 0.0,                      1.0, 1.0, 0.0,                      0.0, 1.0, 0.0,                      0.0, 0.0, 1.0};    glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);    glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY);    glVertexPointer(2,GL_FLOAT,0,vertices);    glColorPointer (3,GL_FLOAT,0,colors);    glBegin(GL_POLYGON);  glArrayElement(0);glArrayElement(1);glArrayElement(2);glArrayElement(3);    glEnd();        glFlush();  }  

输出结果如下：

2.把数据放入数组中

这些数据是通过指针进行访问的。

3.绘制几何图形

绘制图形关键点在于“解引用”，而解引用关键在于glArrayElement()函数。该函数通常在glBegin()和glEnd()之间调用。否则，glArrayElement()函数就会设置所有启用数组的当前状态（顶点除外，因为它不存在当前状态）。

下面例子展示的是，使用取自启用的顶点数组的0,3,4号顶点绘制三角形。

 glBegin(GL_POLYGON);  glArrayElement(0);glArrayElement(2);glArrayElement(3);    glEnd(); 

输出结果：

由于glArrayElemrnt()函数对于每个顶点只调用一次，因此它可能减少对函数的调用数量，从而提高程序的整体性能。

3.重启图元

在OpenGL绘制图形时，可能需要绘制多个并不相连的图形。这样的情况下这几个图形没法被当做一个图形来处理。也就需要多次调用 DrawArrays 或 DrawElements. 如果图形很多，可能会需要用一个循环来调用：

for (int i = 0; i < num_objects; i++) {    glDrawArrays(GL_TRIANGLES,                object[n]->first_vertex,                object[n]->vertex_count);}

每一次调用OpenGL 的绘制函数，都需要一定的资源开销，如果每一帧调用太多次，会对程序的性能产生较大的影响。提高性能的办法就是调用一次绘制函数，画出分散的图形。
一种方法是使用 glMultiDrawElements 函数来代替旧的绘制函数，可以减少调用次数，仅需调用此函数一次即可。但是这个函数在OpenGL ES 没有得到支持。而且使用这个函数，仍然需要将每一个分散的图形维护一组单独的顶点坐标/纹理坐标，这个是免不了的，这些数据仍然需要分开上传，还是会消耗一定的资源。针对这种情况使用图元重启会更加合适。

3.1 基本介绍

考虑通常的情况，当用户绘制 GL_TRIANGLE_STRIP, GL_TRIANGLE_FAN, GL_LINE_STRIP, GL_LINE_LOOP 这些图元时，所有的绘制点按照特定的顺序被连起来，以形成一个最终的复杂图形，也就是说最终的复杂图形由多个相连的三角形或线段组成。像上面提到的情况，想要绘制分散的图形，应该怎么办？
图元重启(Primitive restart) 允许用户绘制不连续的、分散的图形。考虑使用glDrawElements 函数，绘制时按照indices所指定的顶点的顺序来绘制的。此时可以指定某一个值，该值表示一个重启的标志。遇到这个值的时候，OpenGL不会绘制图元，而是结束上一段绘制，然后重新启动新的绘制，也就是說用后面的索引所指定的顶点来从头绘制一个图形。
举个例子：比如指定8为重启的标志，遇到8就重启。

上面的是不启用图元重启的情况，即通常的情况。

下面的是启用图元重启的情况，我们可以看到，从9开始，又重新从头开始绘制Triangle strip了。

3.2 执行过程

指定重启位置的数值，在桌面版的OpenGL是可以自行设定的，glPrimitiveRestartIndex​ 函数指定重启的标志。在OpenGL ES 无法自行指定，只能用给定的值。
首先设置启用图元重启：

glEnable(GL_PRIMITIVE_RESTART_FIXED_INDEX);

Fixed index就代表了使用固定的重启的标志，具体数值和indices内数据类型有关。glDrawElements 的indices参数类型必须是以下的一种：GL_UNSIGNED_BYTE, GL_UNSIGNED_SHORT, GL_UNSIGNED_INT. 那么分别对应的重启的标志就是 2^8 - 1;2^16 - 1;2^32 - 1;也就是說重启的标志的数值就是indices数组所能允许的最大值。这个值一般来说是不会被用到的，拿来当标志正好。
所以我们只需要在 indices 里面的合适的位置插入一个标志，然后再调用 glDrawElements 函数即可实现图元重启。
下面代码片段是一个具体的例子：

// Prepare index buffer data (not shown: vertex buffer data, loading vertex and index buffers)GLushort indexData[11] = {    0, 1, 2, 3, 4,    // triangle strip ABCDE    0xFFFF,           // primitive restart index (largest possible GLushort value)     5, 6, 7, 8, 9,    // triangle strip FGHIJ};// Draw triangle stripsglEnable(GL_PRIMITIVE_RESTART_FIXED_INDEX);glDrawElements(GL_TRIANGLE_STRIP, 11, GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

4.参看资料

[1].Primitive Restart Makes GPGPU Tech Sparkle
[2].Combining Drawing Functions, Combining Geometry Using Primitive
[3].TechniquesforWorkingwithVertexData