渲染补充(More on Rendering)
本章我们将继续讲述OpenGL如何渲染物体。为了整理代码,我们要创建一个名为Mesh
的新类,把一个位置数组作为输入,为需要加载到显卡中的模型创建VBO和VAO对象。
package org.lwjglb.engine.graph;
import java.nio.FloatBuffer;
import org.lwjgl.system.MemoryUtil;
import static org.lwjgl.opengl.GL30.*;
public class Mesh {
private final int vaoId;
private final int vboId;
private final int vertexCount;
public Mesh(float[] positions) {
FloatBuffer verticesBuffer = null;
try {
verticesBuffer = MemoryUtil.memAllocFloat(positions.length);
vertexCount = positions.length / 3;
verticesBuffer.put(positions).flip();
vaoId = glGenVertexArrays();
glBindVertexArray(vaoId);
vboId = glGenBuffers();
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vboId);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, verticesBuffer, GL_STATIC_DRAW);
glEnableVertexAttribArray(0);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, false, 0, 0);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glBindVertexArray(0);
} finally {
if (verticesBuffer != null) {
MemoryUtil.memFree(verticesBuffer);
}
}
}
public int getVaoId() {
return vaoId;
}
public int getVertexCount() {
return vertexCount;
}
public void cleanUp() {
glDisableVertexAttribArray(0);
// 删除VBO
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glDeleteBuffers(vboId);
// 删除VAO
glBindVertexArray(0);
glDeleteVertexArrays(vaoId);
}
}
我们将在DummyGame
类中实例化Mesh
,然后将Renderer
的init
方法中的VAO和VBO代码删除。在Renderer
类的渲染方法中将接收一个Mesh
对象来渲染。cleanup
方法也被简化,因为Mesh
类已经提供了一个释放VAO和VBO资源的方法。
public void render(Mesh mesh) {
clear();
if ( window.isResized() ) {
glViewport(0, 0, window.getWidth(), window.getHeight());
window.setResized(false);
}
shaderProgram.bind();
// 绘制
glBindVertexArray(mesh.getVaoId());
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, mesh.getVertexCount());
// 还原状态
glBindVertexArray(0);
shaderProgram.unbind();
}
public void cleanup() {
if (shaderProgram != null) {
shaderProgram.cleanup();
}
}
值得注意的一点是:
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, mesh.getVertexCount());
Mesh
类通过将位置数组除以3来计算顶点的数目(因为我们使用X,Y和Z坐标)。现在,我们可以渲染更复杂的形状。来试试渲染一个正方形,一个正方形可以用两个三角形来组成,如图所示:
如你所见,这两个三角形中的每一个都由三个顶点组成。第一个三角形由顶点V1、V2和V4(橙色的点)组成,第二个三角形由顶点V4,V2和V3(绿色的点)组成。顶点以逆时针顺序连接,因此要传递的浮点数数组应该是[V1, V2, V4, V4, V2, V3]。因此,DummyGame
的init
方法将是这样的:
@Override
public void init() throws Exception {
renderer.init();
float[] positions = new float[]{
-0.5f, 0.5f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, 0.0f,
};
mesh = new Mesh(positions);
}
现在你应该可以看到这样的一个正方形:
我们做完了吗?并没有,上述代码仍存在一些问题。我们使用了重复的坐标来表示正方形,传递了两次V2和V4坐标。这是个小图形,它可能不是什么大问题,但想象在一个更复杂的3D模型中,我们会多次重复传递坐标。记住,我们使用三个浮点数表示顶点的位置,但此后将需要更多的数据来表示纹理等。考虑到在更复杂的形状中,三角形直接共享的顶点数量甚至更高,如图所示(其顶点可以在六个三角形之间共享):
最后,我们需要更多的内存来储存重复的数据,这就是索引缓冲区(Index Buffer)大显身手的时候。为了绘制正方形,我们只需要以这样的方式指定每个顶点:V1, V2, V3, V4。每个顶点在数组中都有一个位置。V1在位置0上,V2在位置1上,等等:
V1 | V2 | V3 | V4 |
---|---|---|---|
0 | 1 | 2 | 3 |
然后,我们通过引用它们的位置来指定这些顶点的顺序:
0 | 1 | 3 | 3 | 1 | 2 |
---|---|---|---|---|---|
V1 | V2 | V4 | V4 | V2 | V3 |
因此,我们需要修改Mesh
类来接收另一个参数,一个索引数组,现在绘制的顶点数量是该索引数组的长度。
public Mesh(float[] positions, int[] indices) {
vertexCount = indices.length;
在创建了储存位置的VBO之后,我们需要创建另一个VBO来储存索引。因此,重命名储存位置的VBO的ID的变量名,并为索引VBO(idxVboId
)创建一个ID。创建VBO的过程相似,但现在的类型是GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER
。
idxVboId = glGenBuffers();
indicesBuffer = MemoryUtil.memAllocInt(indices.length);
indicesBuffer.put(indices).flip();
glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, idxVboId);
glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, indicesBuffer, GL_STATIC_DRAW);
memFree(indicesBuffer);
因为我们是在处理整数,所以需要创建一个IntBuffer
而不是一个FloatBuffer
。
就是这样。现在VAO包含两个VBO,一个储存位置,另一个储存索引。Mesh
类的cleanUp
方法也必须考虑到要释放另一个VBO。
public void cleanUp() {
glDisableVertexAttribArray(0);
// 删除 VBO
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
glDeleteBuffers(posVboId);
glDeleteBuffers(idxVboId);
// 删除 VAO
glBindVertexArray(0);
glDeleteVertexArrays(vaoId);
}
最后,我们需要修改在绘制时调用的glDrawArrays
方法:
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, mesh.getVertexCount());
改为调用glDrawElements
方法:
glDrawElements(GL_TRIANGLES, mesh.getVertexCount(), GL_UNSIGNED_INT, 0);
方法的参数如下:
- mode: 指定渲染的图元类型,现在是三角形,没有变化。
- count: 指定要渲染的顶点数。
- type: 指定索引数据的类型,现在是无符号整数型。
- indices: 指定要开始使用索引渲染的数据偏移量。
现在可以使用全新和更有效的方法来绘制复杂的模型了,仅需指定索引。
public void init() throws Exception {
renderer.init();
float[] positions = new float[]{
-0.5f, 0.5f, 0.0f,
-0.5f, -0.5f, 0.0f,
0.5f, -0.5f, 0.0f,
0.5f, 0.5f, 0.0f,
};
int[] indices = new int[]{
0, 1, 3, 3, 1, 2,
};
mesh = new Mesh(positions, indices);
}
现在为示例代码添加颜色吧。我们把另一组浮点数传递给Mesh
类,它储存了正方形中每个顶点的颜色。
public Mesh(float[] positions, float[] colours, int[] indices) {
为了使用该数组,我们需要创建另一个VBO,它将与我们的VAO相关联。
// 颜色 VBO
colourVboId = glGenBuffers();
FloatBuffer colourBuffer = memAllocFloat(colours.length);
colourBuffer.put(colours).flip();
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, colourVboId);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, colourBuffer, GL_STATIC_DRAW);
glEnableVertexAttribArray(1);
glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, false, 0, 0);
请注意glVertexAttribPointer
方法的调用,第一个参数现在是“1”,这是着色器期望数据的位置。(当然,由于增加了一个VBO,我们需要在cleanUp
方法中释放它)。可以看到,我们需要在渲染期间启用位置1处的VAO属性。
接下来是修改着色器。顶点着色器现在需要两个参数,坐标(位置0)和颜色(位置1)。顶点着色器将只输出接收到的颜色,以便片元着色器可以对其进行处理。
#version 330
layout (location=0) in vec3 position;
layout (location=1) in vec3 inColour;
out vec3 exColour;
void main()
{
gl_Position = vec4(position, 1.0);
exColour = inColour;
}
现在,片元着色器接收由顶点着色器处理的颜色,并使用它来生成颜色。
#version 330
in vec3 exColour;
out vec4 fragColor;
void main()
{
fragColor = vec4(exColour, 1.0);
}
最后要做的是修改渲染代码以使用第二个数据数组:
我们现在可以将如下所示的颜色数组传递给Mesh
类,为正方形添加一些颜色。
float[] colours = new float[]{
0.5f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 0.5f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, 0.5f,
0.0f, 0.5f, 0.5f,
};
然后会得到一个色彩鲜艳的正方形。