OpenGL顶点数组

概述

作为在立即模式（glBegin()与glEnd()之间）下指定单个顶点数据的替代，你可以保存顶点数据在一组列表中，包括顶点位置、法线、纹理坐标与颜色信息。并且你可以通过索引数组解引用数组元素绘制选定的几何图元。

看看下面的用立即模式绘制立方体的代码。

glBegin(GL_TRIANGLES);  // draw a cube with 12 triangles
    // 前面 =================
    glVertex3fv(v0);    // v0-v1-v2
    glVertex3fv(v1);
    glVertex3fv(v2);

    glVertex3fv(v2);    // v2-v3-v0
    glVertex3fv(v3);
    glVertex3fv(v0);

    // 右面 =================
    glVertex3fv(v0);    // v0-v3-v4
    glVertex3fv(v3);
    glVertex3fv(v4);

    glVertex3fv(v4);    // v4-v5-v0
    glVertex3fv(v5);
    glVertex3fv(v0);

    // 上面 ===================
    glVertex3fv(v0);    // v0-v5-v6
    glVertex3fv(v5);
    glVertex3fv(v6);

    glVertex3fv(v6);    // v6-v1-v0
    glVertex3fv(v1);
    glVertex3fv(v0);

    ...                 // 绘制其余3面

glEnd();
image

为构造每个面的2个三角形，需要调用glVertex*()6次。例如，正面分为v0-v1-v2与v2-v3-v0两个三角形。一个立方体有6个面，因此glVertex*()的调用次数为36。如果你还需为相关顶点指定法线、纹理坐标与颜色，这增加对OpenGL函数的调用。

另一个需要注意的是：顶点“v0”被三个相邻的面共用：正面、右面与顶面。在立即模式下，你必须提供这个共用点6次，就像代码中那样每个面2次。

使用顶点数字会降低函数调用次数及共用顶点的重复使用。因此，可以提供渲染效率。在此，解释3种不同的使用顶点数组的OpenGL函数：glDrawArrays()、glDrawElements()与glDrawRangeElements()。然而，更好的方法是使用顶点缓存对象（VBO）与显示列表。

初始化

OpenGL提供glEnableClientState()与glDisableClientState()函数启用/禁用6中不同类别的数组。此外，有6个函数用于指定数组的精确位置（地址），因此在你的应用程序中OpenGL可以访问这些数组。

  • glVertexPointer()：指定顶点坐标数组指针
  • glNormalPointer()：指定法线数组指针
  • glColorPointer()：指定RGB颜色数组指针
  • glIndexPointer()：指定索引颜色数组指针
  • glTexCoordPointer()：指定纹理坐标数组指针
  • glEdgeFlagPointer()：指定边标志数组指针

每个函数都需要不同的参数。可以参考OpenGL API手册。边标志用于标记顶点是否在边界上。因此，如果glPolygonMode()为GL_LINE时，只有边具有边标记的那些边是可见的。

glVertexPointer(GLint size, GLenum type, GLsizei stride, const GLvoid* pointer)

  1. size：顶点坐标数量，对于2D点为2,3D点为3。
  2. type：GL_FLOAT、GL_SHORT、GL_INT或GL_DOUBLE。
  3. stride：连续两个顶点间的字节偏移量（用于交叉数组）。
  4. pointer：顶点数组指针。

glNormalPointer(GLenum type, GLsizei stride, const GLvoid* pointer)

  1. type：GL_FLOAT、GL_SHORT、GL_INT或GL_DOUBLE。
  2. stride：连续两个法线间的字节偏移量（用于交叉数组）。
  3. pointer：法线数组指针。

注意，顶点数组保存在你的应用程序（系统内存），它在客户端。且处在服务端的OpenGL访问它们。这就是为什么拥有顶点数组这些特殊命令的原因，使用glEnableClientState()与glDisableClientState()而不是glEnable()与glDisable()。

glDrawArrays()

glDrawArrays()从开启的数组中顺序读取顶点数据。由于glDrawArray()不准许在顶点数组中跳跃，你必须为每个面重复指定共用顶点。

glDrawArrays()具有3个参数。第一个参数为图元类型。第二个参数为数组的其实偏移位置。最后一个参数为传递给OpenGL渲染管线的顶点数量。在上面绘制立方体的实例中，第一个参数为GL_TRIANGLES，第二个参数为0，即从数组开始读取。最后一个参数为36：立方体具有6个面，且每个面需要绘制两个三角形的6个顶点，6×6=36。

GLfloat vertices[] = {...}; // 36顶点坐标
...
// 启用并指定顶点数组指针
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertices);

// 绘制立方体
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

// 在绘制之后禁用顶点数组
glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);

由于使用glDrawArrays()，你可以用单个glDrawArrays()调用替换36次的glVertex*()调用。然而，我们依旧需要重复指定共用顶点，因此数组中的顶点数量依旧为36个，而不是8个。glDrawElements()是降低数组中顶点数量的方法，因此，它准许向OpenGL传递更少的数据。

glDrawElements()

glDrawElements()通过顶点数组相关的随机数组索引绘制图元序列。它降低函数调用次数与顶点传递数量。此外，OpenGL可以缓存最近处理过的顶点以及重用它们，而不必向顶点变换管线重复发送相同的顶点。

glDrawElements()需要4个参数。第一个参数为图元类型，第二个为索引数组数量，第三个位索引数组的数据类型，最后一个参数为索引数组地址。在此例中，参数分别为：GL_TRIANGLES、36、GL_UNSIGNED_BYTE与indices。

GLfloat vertices[] = {...};          // 8个顶点坐标
GLubyte indices[] = {0,1,2, 2,3,0,   // 36个索引
                     0,3,4, 4,5,0,
                     0,5,6, 6,1,0,
                     1,6,7, 7,2,1,
                     7,4,3, 3,2,7,
                     4,7,6, 6,5,4};
...
// 启用并指定顶点数组指针
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertices);

// 绘制立方体
glDrawElements(GL_TRIANGLES, 36, GL_UNSIGNED_BYTE, indices);

// 绘制之后禁用顶点数组
glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);

现在，顶点数组的大小为8，这就是立方体的顶点数量，而没有任何重复。

注意，索引数组的数据类型为GLubyte，而不是GLuint或GLushort。为了降低索引数组的大小，它应该是能够容纳索引数量的最小数据类型，否则，由于索引数组过大能够引起性能下降。因为顶点数组包含8个顶点，GLubyte足够容纳所有索引值。

另一个需要考虑的问题是共用顶点上的法向量。如果共用顶点的相邻多边形的法线各不相同，则法向量需要同面的数量一样多，每个面一个法向量。

例如，顶点v0为正面、右面与顶面所共用，不过法线并不能共用。正面的法线为n0，右面的法线为n1，顶面的法线为n2。对于这种情况，法线并不与共用顶点相同，顶点就不能够仅在顶点数组中指定一次。为了匹配法向数组中元素的数量，顶点数组中必须多次指定该顶点坐标。具有法线的典型立方体需要24个单一顶点：6个面×每面4个顶点。参考示例代码中的实际实现。

glDrawRangeElements()

与glDrawElements()类似，glDrawRangeElements()也适用于随机访问顶点数组。不过glDrawRangeElements()有额外的2个参数（start与end索引）以指定需要读取的顶点范围。通过增加该范围限定，OpenGL能够在渲染之前仅获取限定数量的顶点数组，且能够提高性能。

glDrawRangeElements()中新增的参数为start与end索引，OpenGL从这些值（end-start+1）中获取限定数量的顶点。并且索引数组中的值必须位于start与end索引之间。注意，并不是范围(start,end)之间的所有顶点都会被接引用。然而，如果你指定一个稀疏使用范围，会引起不必要的对数组中未使用的那些顶点的处理。

GLfloat vertices[] = {...};          // 8个顶点坐标
GLubyte indices[] = {0,1,2, 2,3,0,   // 第一部分(18个索引)
                     0,3,4, 4,5,0,
                     0,5,6, 6,1,0,

                     1,6,7, 7,2,1,   // 第二部分(18个索引)
                     7,4,3, 3,2,7,
                     4,7,6, 6,5,4};
...
// 开启并指定顶点数组指针
glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertices);

// 绘制第一部分, 范围为6 - 0 + 1 = 7用到的顶点
glDrawRangeElements(GL_TRIANGLES, 0, 6, 18, GL_UNSIGNED_BYTE, indices);

// 绘制第二部分, 范围为6 - 0 + 1 = 7用到的顶点
glDrawRangeElements(GL_TRIANGLES, 1, 7, 18, GL_UNSIGNED_BYTE, indices+18);

// 绘制之后禁用顶点数组
glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);

你可以通过使用GL_MAX_ELEMENTS_VERTICES与GL_MAX_ELEMENTS_INDICES调用glGetIntegerv()查询可获取顶点的最大数量与可引用索引的最大数量。

注意，glDrawRangeElements()在OpenGL 1.2或更高版本有效。

实例

该实例程序以4中不同方式绘制立方体：立即模式、glDrawArrays()、glDrawElements()与glDrawRangeElements()。

  • draw1()：以立即模式绘制立方体。
  • draw2()：以glDrawArrays()绘制立方体。
  • draw3()：以glDrawElements()绘制立方体。
  • draw4()：以glDrawRangeElements()绘制立方体。
  • draw5()：以glDrawElements()与间隔顶点数组方式绘制立方体。

下载源代码与二进制文件：vertexArray.zip

为了正确执行该程序，显卡必须支持OpenGL v1.2或更高。通过glinfo确认你的显卡驱动是否支持OpenGL v1.2或更高。

英文原文：http://www.songho.ca/opengl/gl_vertexarray.html

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