OpenGL - 如何理解 VAO 与 VBO 之间的关系

系列文章目录

• LearnOpenGL 笔记 - 入门 01 OpenGL
• LearnOpenGL 笔记 - 入门 02 创建窗口
• LearnOpenGL 笔记 - 入门 03 你好，窗口
• LearnOpenGL 笔记 - 入门 04 你好，三角形

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1. 前言

在上一章 LearnOpenGL 笔记 - 入门 04 你好，三角形 中引入了很多很多概念，VBO、VAO、EBO、Shader 等等。密集的知识点向你轰炸而来，让这一章的难度陡然上升。说实话，这一章相当的劝退我。我心中有太多的困惑没有得到解答，文章虽然对 VBO、VAO 等做了解释，但其解释没有能让我这个入门者理解。以至于让阅读者相当的挫败。

今天我尝试将本章概念「幼儿园」化，站在入门菜鸟的角度，以伪代码的形式来理解 VAO、VBO 等概念。

2. 渲染管线的入口 - 顶点着色器

我们用 OpenGL 渲染一个三角形也好，渲染一个复杂的模型也好，无非就是输入一些顶点数据，得到一张图片。

Rendering pipeline 包含了多个阶段（这部分上一章有详细的说明），包括顶点着色器、几何着色器、片段着色器等等。

2.1 顶点着色器处理过程

其中，顶点着色器位于整个 Pipeline 的第一个阶段，所有顶点数据首先发送到顶点着色器中。它接收顶点坐标、颜色、纹理坐标等数据，并对这些数据进行变换，例如旋转、缩放、平移等，最终将处理后的顶点数据传递给后续的渲染步骤。

以渲染一个三角形为例，它的顶点着色器代码非常简单：

const char *vertexShaderSource = R"(#version 330layout (location = 0) in vec3 aPos;void main(){gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);}
)";float vertices[] = {-0.5f, -0.5f, 0.0f,0.5f, -0.5f, 0.0f,0.0f,  0.5f, 0.0f
};

其中 vertices[] 中存放了三个顶点的位置，而观察顶点着色器的代码，却发现它只处理了一个顶点。这是我的第一个困惑：OpenGL 是如何渲染多个顶点的？

实际上，顶点着色器可以在图形处理单元（GPU）上并行运行，这意味着它可以同时处理多个顶点数据。在 GPU 中，存在大量的简单处理单元，可以同时处理顶点数据。

举例，假设现在有 100 个顶点数据，GPU 上有 10 个处理单元，那么顶点着色器处理的过程大概是

1. 数据分配：100个顶点数据被分配给GPU上的10个处理单元。每个处理单元分到的顶点数据数量可能不同。
2. 数据处理：每个处理单元都独立地处理分配给它的顶点数据。在Vertex shader中定义的变换（例如旋转、缩放、平移等）被应用到每个顶点数据上。
3. 结果合并：每个处理单元处理后的结果被合并到一起。最终的结果是100个顶点数据的处理结果。
4. 传递结果：处理后的顶点数据被传递给后续的渲染步骤，以完成3D图形的渲染。

这是一个简化的过程描述，实际的处理过程可能更加复杂。但是，通过上述过程，100个顶点数据可以高效地处理，从而实现高效的3D图形渲染。

我们使用伪代码来描述上面的过程：

#define NUM_VERTICES 100
#define NUM_UNITS 10vector<vec3> vertex_data(NUM_VERTICES); // 有 100 个顶点数据// 1. 数据分配
vector<vec3> processing_unit_data[NUM_UNITS]; // 有 10 个处理单元，每个单元处理 10 个顶点
const int num_vertices_per_unit = NUM_VERTICES / NUM_UNITS;
for (int i = 0; i < NUM_UNITS; i++) {processing_unit_data[i].assign(vertex_data.begin() + i * num_vertices_per_unit,vertex_data.begin() + (i + 1) * num_vertices_per_unit);
}// 2. 数据处理
for (int i = 0; i < NUM_UNITS; i++) {for (int j = 0; j < processing_unit_data[i].size(); j++) {processing_unit_data[i][j] = vertex_shader(processing_unit_data[i][j]);}
}// 3. 结果合并
vector<vec3> result; // 最终得到 100 个处理后的数据
for (int i = 0; i < NUM_UNITS; i++) {result.insert(result.end(), processing_unit_data[i].begin(), processing_unit_data[i].end());
}// 4. 传递结果
render(result);

在伪代码中的 2. 数据处理 部分，使用了一个 for 循环顺序地在每一个 GPU 处理单元上执行一次 shader。但请注意，在实际 GPU 运算中这部分是并行的，GPU 可以并行地处理非常非常多数据。如下图

2.2 输入更多数据

在前面绘制三角形时，我们输入了三角形的顶点位置数据。为了绘制更加精美更加复杂的模型，我们要输入的数据可不单单只有顶点位置，还可能有颜色、纹理坐标、法向量坐标等数据。我们通通称这些为顶点属性，名副其实，它确确实实描述顶点的某些属性。

如果将顶点着色器看成是一个函数的话，如果输入只有顶点位置信息，那么可以理解为该函数参数只有一个；当顶点着色器输入更多其他顶点属性时，例如输入了顶点的颜色，那么该函数输入参数有两个：

void vertex_shader(vec3 pos);	// 输入顶点位置数据
void vertex_shader(vec3 pos, vec3 color); // 输入顶点位置数据、顶点颜色数据

多个输入体现在 shader 源码，则以多个 in 变量来表示，例如

const char *vertexShaderSource_one_input = R"(#version 330layout (location = 0) in vec3 aPos; // 顶点位置数据void main(){// ...}
)";const char *vertexShaderSource_two_input = R"(#version 330layout (location = 0) in vec3 aPos; // 顶点位置数据layout (location = 1) in vec3 aColor; // 顶点颜色数据void main(){// ...}
)";

OpenGL 确保至少有 16 个包含 4 分量的顶点属性可用。也就是说我们的 vertex_shader 函数至少可以处理 16 个参数的输入。此时，GPU 执行 shader 时将输入多个数据，如下图：

3. VBO 顶点缓冲对象

顶点着色器输入的是顶点属性数据，那么这些数据存放在哪里呢？答案是存放在的显存中。

你可能会说：“不对啊，你看前面的 vertices[] 变量，它是存放在代码中的，代码中数据应该是存放在内存中的”。

这么说没错，vertices 确实存放在内存中，但我们需要使用 OpenGL API 将存放在内存的数据拷贝到显存中。在显存中，我们需要一个类似 vertices 对象来表示这块显存，而这样的对象就是 VBO。

3.1 顶点属性数据的存放方式

假设渲染三角形时，除了顶点位置数据外，还有各顶点的颜色信息，那么这两种信息可以怎么摆放呢？
位置和颜色是不同的属性，编程直觉来说，我更倾向使用两个数组来分别存放，例如 3 个 xyz 顶点位置和 3个 rgb 颜色数据：

// xyz
float positions[] = {-0.5f, -0.5f, 0.0f,0.5f, -0.5f, 0.0f,0.0f,  0.5f, 0.0f
};// rgb
float colors[] = {1.0f, 0.0f, 0.0f,0.0f, 1.0f, 0.0f,0.0f, 0.0f, 1.0f,
}

对应的，你将使用 OpenGL API 创建 2 个 vbo，分别将 positions 和 colors 数据从内存拷贝到显存，代码大致是这样的：

GLuint vbos[2] = {0,0
};
glGenBuffers(2, vbos);// copy positions to first vbo
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbos[0]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(positions), positions, GL_STATIC_DRAW);// copy colors to second vbo
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(colors), colors, GL_STATIC_DRAW);

当然，你可以把所有顶点属性数据放在一个数组和一个 vbo 中，例如

float vertices[] = {// 位置              // 颜色0.5f,  -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,  // 右下-0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 左下0.0f,  0.5f,  0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f  // 顶部
};
GLuint vbo{0}
glGenBuffers(1, vbo);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

两种方式有何优劣？

将数据存储在单个 VBO 中：

• 优点：
  • 简单易用：只需创建一个 VBO 即可存储所有数据。
  • 高效：如果所有数据都是一起使用的，则可以减少 CPU/GPU 之间的数据传输次数。
• 缺点：
  • 不灵活：如果要修改某些数据，则必须更新整个 VBO。
  • 更新时间长：由于数据量较大，因此更新 VBO 时间可能较长。
  • 占用内存多：由于数据量较大，因此占用的内存可能较多。

将数据存储在多个 VBO 中：

• 优点：
  • 灵活：可以单独修改每个 VBO 中的数据。
  • 更新时间短：由于每个 VBO 中的数据量较小，因此更新 VBO 时间可能较短。
  • 占用内存少：由于每个 VBO 中的数据量较小，因此占用的内存可能较少。
• 缺点：
  • 稍微复杂：需要管理多个 VBO，以确保所有数据都被正确渲染。
  • 效率较低：如果所有数据都是一起使用的，则可能增加 CPU/GPU 之间的数据传输次数，导致渲染效率降低。

总体来说，如果所有数据都是一起使用的，则使用单个 VBO 可能更高效。但如果需要灵活地修改数据，则使用多个 VBO 可能更合适。因此，选择使用单个 VBO 或多个 VBO 取决于具体应用的需求。

3.2 从 VBO 中获取数据

VBO 表示了一块显存，里头存放了很多数据。前面提到，顶点着色器的输入来自于显存，其实就是来自与 VBO。

现在思考一个问题：一个 VBO 中可能存放着很多数据，包括位置、颜色等，也有可能在显存中有多个 VBO 分别存放着这些数据。那么 OpenGL 在渲染时，是如何正确地找打这些数据，并将它们喂给 shader 的呢？

这个问题的答案其实就是 VAO，但在解释这个问题之前，让我们来看看 GPU 为了正确地获取数据，要知道哪些信息。

仍然是绘制三角形，vertex shader 输入顶点信息和颜色信息，其源代码大致是这样的：

const char *kVertexShaderSource = R"(#version 330layout (location = 0) in vec3 aPos;layout (location = 1) in vec3 aColor;out vec3 ourColor;void main(){gl_Position = vec4(aPos, 1.0);ourColor = aColor;}
)";

假设现在顶点数据包括位置和颜色，全部放在一个 VBO 中，那么你可能这么放，先存放全部 xyz，再放全部 rgb，给它一个方便记忆的名字，就叫平面型：

x0 y0 z0 x1 y1 z1 x2 y2 z2 r0 g0 b0 r1 g1 b1 r2 g2 b2

也有可能存放第一个点的 xyz 和 rgb，接着第二个点，以此类推，这种也给它取个名字，就叫交织型：

x0 y0 z0 r0 g0 b0 x1 y1 z1 r1 g1 b1 x2 y2 z2  r2 g2 b2

这两种存放数据都是合理的，你希望提供一个接口，它足够灵活，可以支持这两种布局。

如果你是 GPU，那么从 VBO 中获取顶点属性的伪代码大致是这样的：

void* vbo = some_address;
const int num_vertex = 3;
const int vertex_pos_index = 0;
const int vertex_rgb_index = 1;for(int i = 0; i < num_vertex; ++i)
{vec3_float xyz = getDataFromVBO(vbo, i, ...);vec3_float rgb = getDataFromVBO(vbo, i, ...);auto result = vertex_shader(xyz, rgb);
}
// ...

其中：

• vbo 指向一个显存的地址，把它看成是我们熟悉的 C 指针即可
• vertex_pos_index = 0 和 vertex_rgb_index = 1，对应 shader 源码中的 layout (location = 0) in vec3 aPos 和 layout (location = 1) in vec3 aColor。表明想要第几个顶点属性
• 通过 getDataFromVBO 从 vbo 中获取地 i 顶点的位置信息和颜色信息
• vertex_shader 输入两个参数，分别是顶点位置信息和颜色信息

现在，你要思考如何实现 getDataFromVBO 函数，简单起见假设 vbo 存放的都是 float 类型的数据，返回的都是 vec3_float 数据（看成是 大小为 3 的 std::vector）。为了兼容前面提到的两种数据布局，我们引入 stride 和 offset 参数，getDataFromVBO 实现大概是这样的：

vec3_float getDataFromVBO(VBO vbo, int vertex_index, int stride, int offset)
{const int num_float_in_vec3 = 3;float* begin = (float*)(vbo) + offset;	// 起始位置偏移const int vertex_offset = vertex_index * stride; // 第 i 个顶点属性的获取位置vec3_float result = vec3_float{begin + vertex_offset, begin + vertex_offset + num_float_in_vec3}return result;
}

offset 参数很好理解，即偏移量。下表列举了不同类型获取顶点位置信息（xyz）和颜色信息（rgb）所需的 offset

	位置数据	颜色数据
平面型	0	9
交织型	0	3

• 平面型时，第一个顶点位置（x0）偏移量为 0；第一个顶点颜色（r0）偏移量为 9
• 交织型时，第一个顶点位置（x0）偏移量为 0；第一个顶点颜色（r0）偏移量为 3

stride 参数意为“步长”，指的是为了拿到下一个数据，我需要跨域多少个单位。下表列举了不同类型获取顶点位置信息（xyz）和颜色信息（rgb）所需的 stride

	位置数据	颜色数据
平面型	3	3
交织型	6	6

• 平面型时，当前顶点位置到一下个顶点位置需要跨域 3 个单位，例如 x0 到 x1，中间隔了 3 个数据；颜色数据的 stride 同理。
• 交织型时，当前顶点位置到一下个顶点位置需要跨域 6 个单位，例如 x0 到 x1，中间隔了 6 个数据；颜色数据的 stride 同理。

非常好，有了 stride 和 offset 参数我们已经能够很好的处理两种不同的排列了。现在，根据我们要获取的是顶点位置还是颜色，设置不同的参数，就可以顺利地从 vbo 中拿到数据了。伪代码更新为：

void* vbo = some_address;
const int num_vertex = 3;
const int vertex_pos_index = 0;
const int vertex_index_0_offset = 0; // 平面型为 0，交织型为 0
const int vertex_index_0_stride = 3; // 平面型为 3，交织型为 6const int vertex_rgb_index = 1;
const int vertex_index_1_offset = 9	 // 平面型为 9，交织型为 3
const int vertex_index_1_stride = 3; // 平面型为 3，交织型为 6for(int i = 0; i < num_vertex; ++i)
{vec3_float xyz = getDataFromVBO(vbo, i, vertex_index_0_stride,vertex_index_0_offset);vec3_float rgb = getDataFromVBO(vbo, i, vertex_index_1_stride,vertex_index_1_offset);auto result = vertex_shader(xyz, rgb);
}

3.3 更进一步

或许你感觉到了，我在前面讲解的其实是 glVertexAttribPointer 函数的参数部分。让我们接着完善，让伪代码更加接近 glVertexAttribPointer。

首先，之前的伪代码中，我们默认获取的是一个 vec3。在实际使用场景，不一定所有顶点属性都是 vec3，或许是 vec4 或者 vec2，甚至是单个 float。因此我们将属性的个数抽象为 size 这个参数，得到：

vecn_float getDataFromVBO(VBO vbo, int vertex_index, int size, int stride, int offset)
{float* begin = (float*)(vbo) + offset;	// 起始位置偏移const int vertex_offset = vertex_index * stride; // 第 i 个顶点属性的获取位置vecn_float result = vec3_float{begin + vertex_offset, begin + vertex_offset + size}return result;
}

接着，顶点属性也不一定是 float 类型的，有可能是 int、bool 类型。将类型抽象出来作为一个新的参数，type

enum DataType
{GL_BYTE, GL_SHORT, GL_INT,GL_FLOAT,
}
vecn getDataFromVBO(VBO vbo, int vertex_index, int size, DataType type, int stride, int offset)
{type* begin = (type*)(vbo) + offset;	// 起始位置偏移const int vertex_offset = vertex_index * stride; // 第 i 个顶点属性的获取位置vecn result = vecn{begin + vertex_offset, begin + vertex_offset + size}return result;
}

最后，为了更加通用一些，我们将 stride 和 offset 都以 byte 为单位：

vecn getDataFromVBO(VBO vbo, int vertex_index, int size, DataType type, int stride, int offset)
{void* begin = vbo + offset;	// 起始位置偏移const int vertex_offset = vertex_index * stride; // 第 i 个顶点属性的获取位置const int vertex_size = sizeof(tpye) * size;vecn result = vecn{begin + vertex_offset, begin + vertex_offset + vertex_size}return result;
}

经过上述的调整，从 vbo 获取顶点数据的的伪代码更新为：

void* vbo = some_address;
const int num_vertex = 3;
const int vertex_pos_index = 0;
const int vertex_index_0_size = 3;
const int vertex_index_0_type = GL_FLOAT;
const int vertex_index_0_offset = 0; 
const int vertex_index_0_stride = 3 * sizeof(float);const int vertex_rgb_index = 1;
const int vertex_index_1_size = 3;
const int vertex_index_1_type = GL_FLOAT;
const int vertex_index_1_offset = 9 * sizeof(float)
const int vertex_index_1_stride = 3 * sizeof(float);for(int i = 0; i < num_vertex; ++i)
{vec3_float xyz = getDataFromVBO(vbo, i, vertex_index_1_size,vertex_index_1_type,vertex_index_0_stride,vertex_index_0_offset);vec3_float rgb = getDataFromVBO(vbo, i, vertex_index_1_size,vertex_index_1_type,vertex_index_1_stride,vertex_index_1_offset );auto result = vertex_shader(xyz, rgb);
}

4.VAO 与 VBO 之间的关系

前面三章，我们对从 vbo 中获取顶点属性数据，进而送给 shader 进行渲染的过程进行梳理，发现如果要从显存中顺利拿到数据，需要给定一系列的参数，包括 size、stride 等等，还要指定从哪个 vbo 里拿。

有的时候，我们要渲染的模型很多，如果在使用模型前都进行一遍参数的设置，那这个过程会非常的繁琐。人们就想，能不能用一个对象来存放这些东西，于是就出现了 VAO（Vertex Array Object）。

在 OpenGL 中我们使用 glVertexAttribPointer 来设置顶点属性数组属性和位置，它将顶点属性数组的数据格式和位置存储在当前绑定的 VAO 中，以便在渲染时使用。

如果用伪代码描述 glVertexAttribPointer 做了哪些事情，可能是这样的：

// 定义一个glVertexAttribPointer函数
function glVertexAttribPointer(index, size, type, normalized, stride, offset) {// 获取当前绑定的VAO和VBOvao = glGetVertexArray();vbo = glGetBuffer();// 检查参数的有效性if (index < 0 or index >= MAX_VERTEX_ATTRIBS) {return GL_INVALID_VALUE;}if (size < 1 or size > 4) {return GL_INVALID_VALUE;}if (type not in [GL_BYTE, GL_UNSIGNED_BYTE, GL_SHORT, GL_UNSIGNED_SHORT, GL_INT, GL_UNSIGNED_INT, GL_FLOAT]) {return GL_INVALID_ENUM;}if (stride < 0) {return GL_INVALID_VALUE;}// 将顶点属性数组的数据格式和位置存储在VAO中vao.vertexAttribs[index].enable = true;vao.vertexAttribs[index].size = size;vao.vertexAttribs[index].type = type;vao.vertexAttribs[index].normalized = normalized;vao.vertexAttribs[index].stride = stride;vao.vertexAttribs[index].offset = offset;vao.vertexAttribs[index].buffer = vbo;
}

• 首先，从 OpenGL Context 中获取当前绑定的 vao 和 vbo
• vao 中有一个 vertexAttribs 数组，将当前 index 的属性设置到这个数组中

是的，vao 与 vbo 之间的关系就是这么简单：vao 里纪录如何从 vbo 中拿数据的参数。

5. 理解代码

让我们回到代码层面，看看当初那让我不知所云的代码片段，vao 与 vbo 的使用：

	GLuint VBO{0};GLuint VAO{0};glGenVertexArrays(1, &VAO);glGenBuffers(1, &VBO);glBindVertexArray(VAO);glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, VBO);glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void *)0);glEnableVertexAttribArray(0);glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void *)(9 * sizeof(float)));glEnableVertexAttribArray(1);

这段代码每个函数我都认识，但函数与函数之间的关系却捋不清。例如 glVertexAttribPointer 其实用到之前绑定的 vao 和 vbo，但函数参数中却没有任何体现，导致这段代码在理解上是“断层”的。主要原因是 OpenGL API 后面隐藏着对 OpengGL Context 属性的修改和访问，这部分是如何实现的，我们是未知的。

现在，为了更好的理解这段代，尝试使用伪代码的形式来说明每个函数都干了啥。

class OpenGLContext
{
public:const int max_num_vao = 256;const int max_num_buffers = 256;std::vector<Buffer> buffers(256);std::vector<VAO> vaos(256);VAO* current_vao;VBO* current_vbo;
}// 全局的 OpenGL Context 对象
OpenGLContext context;

void glGenBuffers(GLsizei n, GLuint * buffers)
{static int count = 0;GLuint* index = new GLuint[n];for(int i = 0; i < n; ++i){index[i] = ++count;}for(int i = 0; i < n; ++i){// create_new_vao 创建一个新的 vao 对象context.buffers[index[i]] = create_new_buffer_ojbect();}buffers = index;
}void glGenVertexArrays(	GLsizei n, GLuint * arrays)
{static int count = 0;GLuint* index = new GLuint[n];for(int i = 0; i < n; ++i){index[i] = ++count;}for(int i = 0; i < n; ++i){// create_new_vao 创建一个新的 vao 对象context.vaos[index[i]] = create_new_vao();}arrays = index;
} void glBindBuffer(GLenum target,GLuint buffer)
{if(target == GL_ARRAY_BUFFER){context.current_vbo = &context.buffers[buffer];}//....
}
void glBufferData(GLenum target,GLsizeiptr size, const void * data, GLenum usage)
{if(target == GL_ARRAY_BUFFER){copy_data_to_vbo(size, data, context.current_vbo);}
}void glVertexAttribPointer(GLuint index,GLint size,GLenum type,GLboolean normalized,GLsizei stride,const void * pointer)
{VBO* vbo = context.current_vbo;VAO* vao = context.current_vao;// 将顶点属性数组的数据格式和位置存储在VAO中vao.vertexAttribs[index].enable = true;vao.vertexAttribs[index].size = size;vao.vertexAttribs[index].type = type;vao.vertexAttribs[index].normalized = normalized;vao.vertexAttribs[index].stride = stride;vao.vertexAttribs[index].offset = offset;vao.vertexAttribs[index].buffer = vbo;
}

通过上述伪代码，你应该可以大致了解 OpenGL API 做哪些事情，它们之间有什么联系。写到这里也写累了，更多解释和说明就不写了，聪明的你应该可以理解的。

6. 总结

本文尝试去向刚入门 OpenGL 的新手解释 VAO 和 VBO 之间的关系，从顶点着色器出发解释了渲染过程中顶点是如何送给 GPU 的；接着引出 vbo 概念，vbo 其实就是指向显存的指针；为了从内存中拷贝数据到显存，我们需要指定很多参数，如果每次渲染一个模型都要重新指定一遍参数，会让整个过程变得很繁琐，由于是引入 vao 对象来存放这些参数，使得只需要设置参数一次就能都重复使用；最后，利用伪代码来解释刚开始那些令人困惑的 OpenGL 函数。