OpenGL核心技术之GPU编程

笔者介绍

姜雪伟，泰课在线高级讲师

引言

3D游戏引擎的核心在于渲染，而游戏品质的提升往往依赖于Shader编程实现的渲染技术。常见的渲染方式主要有Direct3D和OpenGL。目前流行的引擎，如Unity3D、Cocos2d-x、UE4引擎在移动端的渲染均采用OpenGL。因此，掌握OpenGL的渲染技术对于了解引擎内部实现方式至关重要。

Shader编程核心内容

顶点着色器与片段着色器的数据传递

Shader脚本的实现主要分为顶点着色器和片段着色器，顶点着色器计算得到的值会传递给片段着色器使用。当我们打算从顶点着色器向片段着色器发送数据时，需要声明相互匹配的输出/输入变量。在小型应用中，一次性声明好这些变量是较为简单的方式。但随着应用规模的增大，我们可能需要发送数组和结构体等更为复杂的数据。

为了更好地组织这些变量，GLSL提供了接口块（Interface Blocks）。声明接口块与声明结构体类似，但它基于块（block），使用in和out关键字进行声明，最终会成为一个输入或输出块。以下是一个顶点着色器的示例：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;
layout (location = 1) in vec2 texCoords;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

out VS_OUT
{
vec2 TexCoords;
} vs_out;

void main()
{
gl_Position = projection * view * model * vec4(position, 1.0f);
vs_out.TexCoords = texCoords;
}

在这个示例中，我们声明了一个名为vs_out的接口块，它将需要发送给下一个阶段着色器的所有输出变量组合在一起。虽然这只是一个简单的例子，但接口块确实有助于我们组织着色器的输入和输出。

接下来，我们需要在片段着色器中声明一个输入接口块，块名应与顶点着色器中的输出接口块名一致，但实例名可以任意指定。以下是片段着色器的示例：

#version 330 core
out vec4 color;

in VS_OUT
{
vec2 TexCoords;
} fs_in;

uniform sampler2D texture;

void main()
{
color = texture(texture, fs_in.TexCoords);
}

如果两个接口块名一致，它们对应的输入和输出就会匹配起来。这一特性在跨着色阶段（如几何着色器）时，对组织代码非常有用。

Uniform缓冲对象

引入Uniform缓冲对象的原因

在使用OpenGL进行开发时，如果我们使用多个着色器，可能会遇到一个问题：对于每个着色器，都需要多次设置相同的uniform变量，这无疑增加了开发的工作量。为了解决这个问题，OpenGL提供了Uniform缓冲对象（Uniform Buffer Object），它允许我们声明一系列全局的uniform变量，这些变量在多个着色器程序中保持一致。使用Uniform缓冲对象时，相关的uniform只需设置一次，不过仍需为每个着色器手工设置唯一的uniform。

创建和配置Uniform缓冲对象

Uniform缓冲对象本质上是一个缓冲，我们可以使用glGenBuffers函数创建一个Uniform缓冲对象，然后将其绑定到GL_UNIFORM_BUFFER缓冲目标上，并将所有相关的uniform数据存入缓冲。以下是一个在顶点着色器中使用uniform块存储投影和视图矩阵的示例：

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 position;

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

uniform mat4 model;

void main()
{
gl_Position = projection * view * model * vec4(position, 1.0);
}

在这个示例中，我们声明了一个名为Matrices的uniform块，用于存储两个4×4矩阵。在uniform块中的变量可以直接获取，无需使用块名作为前缀。通过使用Uniform缓冲对象，我们只需设置一次投影和视图矩阵，而无需在每次渲染迭代时都进行设置。

Uniform块布局

在上述示例中，我们看到了layout(std140)的声明，它表示当前定义的uniform块使用特定的内存布局，即设置了uniform块布局（uniform block layout）。一个uniform块的内容会被存储到一个缓冲对象中，也就是一块内存中。由于这块内存不清楚它保存的数据类型，我们必须告诉OpenGL哪一块内存对应着色器中的哪一个uniform变量。

GLSL默认使用的uniform内存布局是共享布局（shared layout），共享布局允许GLSL为了优化而重新放置uniform变量，只要变量的顺序保持完整。但由于我们无法确定每个uniform变量的偏移量，也就难以精确地填充uniform缓冲。因此，在实践中，我们通常使用std140布局。

std140布局通过一系列规则规范了每个变量的偏移量，我们可以手工计算出每个变量的偏移量。每个变量都有一个基线对齐（base alignment），它等于该变量在uniform块中所占的空间（包含边距），这个基线对齐是使用std140布局原则计算出来的。然后，我们为每个变量计算出它的对齐偏移（aligned offset），即变量从块（block）开始处的字节偏移量，变量对齐的字节偏移必须是其基线对齐的倍数。

以下是一些常见的std140布局规范： | 类型 | 布局规范 | | ---- | ---- | | 像int和bool这样的标量 | 每个标量的基线为N（4字节） | | 向量 | 每个向量的基线是2N或4N大小，vec3的基线为4N | | 标量与向量数组 | 每个元素的基线与vec4相同 | | 矩阵 | 被看做是存储着大量向量的数组，每个元素的基数与vec4相同 | | 结构体 | 根据以上规则计算其各个元素，并且间距必须是vec4基线的倍数 |

我们以之前的ExampleBlock为例，使用std140布局计算每个成员的对齐偏移：

layout (std140) uniform ExampleBlock
{
// base alignment  // aligned offset
float value;       // 4               // 0
vec3 vector;       // 16              // 16 (必须是16的倍数，因此 4->16)
mat4 matrix;       // 16              // 32  (第 0 行)
// 16              // 48  (第 1 行)
// 16              // 64  (第 2 行)
// 16              // 80  (第 3 行)
float values[3];   // 16 (数组中的标量与vec4相同) // 96 (values[0])
// 16              // 112 (values[1])
// 16              // 128 (values[2])
bool boolean;      // 4               // 144
int integer;       // 4               // 148
};

我们可以将计算出的偏移量与表格进行对比，以加深对std140布局的理解。使用这些偏移量，我们可以使用glBufferSubData等函数将变量数据填充到缓冲中。虽然std140布局可能不是最高效的，但它可以保证在每个程序中声明的uniform块布局保持一致。

除了std140布局和共享布局，还有封装（packed）布局。当使用封装布局时，不能保证布局在其他程序中保持一致，因为它允许编译器从uniform块中优化掉uniform变量，这在每个着色器中可能会有所不同。

使用Uniform缓冲对象

首先，我们需要使用glGenBuffers函数创建一个Uniform缓冲对象，然后将其绑定到GL_UNIFORM_BUFFER目标上，并使用glBufferData函数为其分配足够的空间。以下是一个示例：

GLuint uboExampleBlock;
glGenBuffers(1, &uboExampleBlock);
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, uboExampleBlock);
glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 150, NULL, GL_STATIC_DRAW); // 分配150个字节的内存空间
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

当我们需要更新或插入数据时，只需绑定到uboExampleBlock上，并使用glBufferSubData函数更新其内存。我们只需更新这个uniform缓冲一次，所有使用该缓冲的着色器都会使用更新后的数据。

那么，OpenGL如何知道哪个uniform缓冲对应哪个uniform块呢？在OpenGL环境（context）中，定义了若干绑定点（binding points），我们可以将一个uniform缓冲链接到这些绑定点上。当我们创建一个uniform缓冲时，将其链接到一个绑定点上，同时也将着色器中的uniform块链接到同一个绑定点上，这样就实现了它们之间的链接。

我们可以使用glUniformBlockBinding函数将uniform块设置到一个特定的绑定点上。该函数的第一个参数是一个程序对象，接着是一个uniform块索引（uniform block index）和打算链接的绑定点。uniform块索引可以通过glGetUniformBlockIndex函数获取，该函数接收一个程序对象和uniform块的名字。以下是一个示例：

GLuint lights_index = glGetUniformBlockIndex(shaderA.Program, "Lights");
glUniformBlockBinding(shaderA.Program, lights_index, 2);

需要注意的是，我们必须在每个着色器中重复进行上述操作。

从OpenGL 4.2起，我们也可以在着色器中通过添加另一个布局标识符来存储一个uniform块的绑定点，从而避免调用glGetUniformBlockIndex和glUniformBlockBinding函数。以下是一个示例：

layout(std140, binding = 2) uniform Lights { ... };

最后，我们还需要使用glBindBufferBase或glBindBufferRange函数将uniform缓冲对象绑定到同样的绑定点上。

通过以上步骤，我们可以有效地使用Uniform缓冲对象，提高代码的可维护性和性能。