现代OpenGL：VBO，GLM和矩阵堆栈

Question

在搜索和阅读有关现代OpenGL的内容以升级我的现有项目后，我有点困惑，因为我的3D框架基于OpenGL 2.1。

所以，就我所学到的...

• We need to generate our Vertex-Buffer-Objects from vertices, indices, normals, colors, uvs, etc.

• then we can use GLM for matrix transformation, and we only use VBO to create or manipulate meshes, finally we pass everything into GLSL vertex shader like this...

  glm::mat4 MVP = projection * view * model;
  glUniformMatrix4fv(glGetUniformLocation(shaderProgramID, "MVP"), 1, GL_FALSE, glm::value_ptr(MVP)); //or &MVP[0][0]
  
  // uniform mat4 MVP;
  // in vec3 Vertex;
  // void main(void)
  // {
  //    gl_Position = MVP * vec4(Vertex, 1.0); //instead of ftransform();
  // }
  

问题：如何在不使用pushMatrix/popMatrix的情况下进行分层变换？（或者我们可以通过使用VBO来进行分层变换，这是可能的吗？）

如果不可能，那么如何通过GLM和C++<stack>库实现与pushMatrix/popMatrix相同的结果？

假设我需要像这样的东西：

> Set identity
> Translate to X, Y, Z
> Draw Mesh 1
> Rotate 0.5 by X axis
> Draw Mesh 2
> Scale down to 0.1
> Draw Mesh 3

- xxx

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@BЈовић: OpenGL Mathematics (GLM)，是一个仅包含头文件的C++库，用于矩阵/向量数学计算。 - genpfault

Answer 1

如果你的渲染已经使用了类似函数递归的层次结构，那么你已经有了矩阵堆栈！

void renderMesh(Matrix transform, Mesh mesh)
{
    // here call glDrawElements/glDrawArrays and send transform matrix to MVP uniform
    mesh->draw(transform);

    // now render all the sub-meshes, then will be transformed relative to current mesh
    for (int i=0; i<mesh->subMeshCount(); i++)
    {
        Matrix subMeshTransform = mesh->getSubMeshTransform(i);
        Mesh subMesh = mesh->getSubMesh();

        renderMesh(subMeshTransform * transform, subMesh);
    }
}

// somwhere in main function
...
Matrix projection = Matrix::perspective(...);
Matrix view = camera->getViewMatrix();

Matrix transform = view * projectIon;
renderMesh(transform, rootMesh);

- Mārtiņš Možeiko

Answer 2

我们需要从顶点、索引、法线、颜色、纹理坐标等数据生成顶点缓冲对象。

客户端顶点数组也可以工作，不过强烈建议使用VBO，因为这会使驱动程序更容易处理数据，并且从长远来看，对于需要操纵数据的人来说也更容易。代码开销可以忽略不计（与生成和上传纹理数据大致相同），性能仅会提高。

然后我们可以使用GLM进行矩阵变换，只需使用VBO创建或操作网格，最后将所有内容传递到GLSL顶点着色器中，如下所示...

你并不限于GLM。任何矩阵数学库都可以。如果您正在寻找可以在C99中使用的库，请查看我的（尚未完全完成的）linmath.h https://github.com/datenwolf/linmath.h，它只是一个带有静态内联函数的头文件。我还没有对代码重复性能是否产生负面影响进行基准测试（代码大小会增加L1缓存压力）。 问题：如何在不使用pushMatrix/popMatrix的情况下进行层次变换？（或者也许我们可以通过使用VBO来进行层次变换，这是可能的吗？）

VBO与此无关。最令老式OpenGL用户困扰的是那些矩阵堆栈函数，它们使OpenGL看起来有点像场景图，但实际上不是。

如果你忘记了旧版OpenGL的矩阵堆栈，就会很明显如何进行分层变换：在层次结构中的每个分支处复制变换矩阵并对其进行操作。你得到一个变换的分层树，在每个节点存储相应的矩阵。然后将这些矩阵作为uniform传递给顶点着色器；或者如果你正在绘制只有一个变换的刚体对象，则只需要一个矩阵。通常只需要多个矩阵来处理可变形物体，比如这个角色的骨骼动画。

worldtransform -> 
    pelvis ->
        left upper leg -> left lower leg -> left foot
        right upper leg -> right lower leg -> right foot
    torso ->
        neck -> head ->
             left eye
             right eye
             facial deformation // this is a whole chapter of it's own
        left upper arm -> left lower arm -> left hand
        right upper arm -> right lower arm -> right hand

每当在这样的层次结构中遇到->，您都会复制矩阵并继续在该矩阵上工作。当回退到树的较高级别时，您将再次从该矩阵开始工作。

- datenwolf

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"facial deformation"意为"面部畸形"，其中包括"下颌骨脱臼"。 - mlvljr

Answer 3

如果您需要层次转换，那么您就必须自己处理。然而，如果您只需要一个栈，那就很简单了。只需取出栈中的上一条目，并将其乘以您想要应用的下一个矩阵，然后将结果推送到栈中即可。

[在您编辑的问题中]：对于此操作，您根本不需要使用栈，也没有层次转换。只需有一个单一的矩阵，应用您的平移、绘制、乘以旋转矩阵，再绘制，最后乘以缩放矩阵并绘制即可。

- Anteru

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如果您有初始矩阵M，以及平移T、旋转R和缩放S，则第一个矩阵是M=T，第二个矩阵是M*=R=(TR==先平移再旋转)，第三个矩阵是M=S=(TRS==所有矩阵)。对于机器人手臂，您可以从顶部开始，并在向下遍历树时发出绘制调用。无论“堆栈”是std::stack还是您递归场景遍历例程的一部分都没有关系。 - Anteru

如果您不执行M*=S，而只是使用MS（复制！），则原始矩阵不会更改。您的堆栈将如下所示：[M]，然后您推入T（导致堆栈[M，MT]），然后您弹出（[M]），然后再次推入R（[M，M*R]）。我不明白您的问题在哪里？ - Anteru

停止编辑您的注释含义。我说过，您可以通过堆栈来实现它，或者您可以将矩阵复制到递归绘制函数内部（这会隐式创建一个堆栈）。 [M，..] _是一个堆栈_，如果您想要使用它，只需使用即可。但是您也可以很容易地不使用任何std :: stack来完成。 - Anteru

让我们在聊天中继续这个讨论：http://chat.stackoverflow.com/rooms/6915/discussion-between-anteru-and-ndv - Anteru

Answer 4

关于VAO和VBO的性能问题，我不同意VBO更快的说法，建议查看此链接。

http://www.openglsuperbible.com/2013/12/09/vertex-array-performance/

从上面的结果可以看出，至少对于我们的小样本集，VAO在所有实现中都更快。这是有道理的——调用glBindVertexArray时需要验证的参数比glBindBuffer或glVertexAttribPointer要少。即使只有一个顶点属性，使用VAO切换比显式更新全局VAO时OpenGL调用减少了一半。除了明显的“API调用越少执行速度越快”的关系外，VAO还是OpenGL驱动程序可以存储编程底层GPU所需信息的地方。发送到GPU的状态更改总量是相同的。

- daniel

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这与问题有什么关系？ - Reto Koradi