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如何在Qt 5中使用VAOs进行实例化

qtopenglqt5vbovao
6
我正在努力理解如何适当地使用VAO进行实例渲染（特别是在Qt 5.2中，使用OpenGL 3.3）。我的理解是，VAOs保存VBO和相关属性的状态，因此您无需担心在绘制时绑定和启用所有内容，只需绑定VAO即可。但是对于实例化，您通常有多个VBO。如何避免需要绑定它们全部？或者我只需要使用单个VBO来处理每个顶点数据和每个实例数据？
我一直在查看一些教程，例如：http://ogldev.atspace.co.uk/www/tutorial33/tutorial33.html 在我看来，他所做的是使用VAO来处理每个顶点数据，而不是每个实例数据。我尝试在基于Qt的代码中执行相同的操作，但这对我没有起作用（可能是因为我不完全理解它的工作原理…在绘制发生时，他的实例数据是否仍然需要绑定？）
以下是一些虚拟代码…这有点傻，我只是绘制了两个三角形的单个实例，并使用透视矩阵作为每个实例属性。

glwindow.cpp:

#include "glwindow.h"

#include <QColor>
#include <QMatrix4x4>
#include <QVector>
#include <QVector3D>
#include <QVector4D>

#include <QDebug>


GLWindow::GLWindow(QWindow *parent) 
  : QWindow(parent)
  , _vbo(QOpenGLBuffer::VertexBuffer)
  , _matbo(QOpenGLBuffer::VertexBuffer)
  , _context(0)
{
  setSurfaceType(QWindow::OpenGLSurface);
}

GLWindow::~GLWindow()
{}

void GLWindow::initGL()
{  
  setupShaders();
  _program->bind();
  _positionAttr = _program->attributeLocation("position");
  _colourAttr = _program->attributeLocation("colour");
  _matrixAttr = _program->attributeLocation("matrix");

  QVector<QVector3D> triangles;
  triangles << QVector3D(-0.5, 0.5, 1) << QVector3D(-0.5, -0.5, 1) << QVector3D(0.5, -0.5, 1);
  triangles << QVector3D(0.5, 0.5, 0.5) << QVector3D(-0.5, -0.5, 0.5) << QVector3D(0.5, -0.5, 0.5);

  QVector<QVector3D> colours;
  colours << QVector3D(1, 0, 0) << QVector3D(0, 1, 0) << QVector3D(0, 0, 1);
  colours << QVector3D(1, 1, 1) << QVector3D(1, 1, 1) << QVector3D(1, 1, 1);

  _vao.create();
  _vao.bind();

  _vbo.create();
  _vbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);
  _vbo.bind();

  size_t positionSize = triangles.size() * sizeof(QVector3D);
  size_t colourSize = colours.size() * sizeof(QVector3D);
  _vbo.allocate(positionSize + colourSize);
  _vbo.bind();
  _vbo.write(0, triangles.constData(), positionSize);
  _vbo.write(positionSize, colours.constData(), colourSize);
  _colourOffset = positionSize;

  _program->setAttributeBuffer(_positionAttr, GL_FLOAT, 0, 3, 0);
  _program->setAttributeBuffer(_colourAttr, GL_FLOAT, _colourOffset, 3, 0);

  _program->enableAttributeArray(_positionAttr);  
  _program->enableAttributeArray(_colourAttr);

  _vao.release();

  _matbo.create();
  _matbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);
  _matbo.bind();

  _matbo.allocate(4 * sizeof(QVector4D));
  _program->setAttributeBuffer(_matrixAttr, GL_FLOAT, 0, 4, 4 * sizeof(QVector4D));
  _program->enableAttributeArray(_matrixAttr);

  _func330->glVertexAttribDivisor(_matrixAttr, 1);
  _matbo.release();

  _program->release();
  resizeGL(width(), height());
}

void GLWindow::resizeGL(int w, int h)
{
  glViewport(0, 0, w, h);
}

void GLWindow::paintGL()
{
  if (! _context) // not yet initialized
    return;

  _context->makeCurrent(this);
  QColor background(Qt::black);

  glClearColor(background.redF(), background.greenF(), background.blueF(), 1.0f);
  glClearDepth(1.0f);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  QMatrix4x4 matrix;
  matrix.perspective(60, 4.0/3.0, 0.1, 100.0);
  matrix.translate(0, 0, -2);

  _program->bind();

  _matbo.bind();
  _matbo.write(0, matrix.constData(), 4 * sizeof(QVector4D));

  _vao.bind();

  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  _func330->glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 1);

  _vao.release();

  _program->release();

  _context->swapBuffers(this);
  _context->doneCurrent();

}

void GLWindow::setupShaders()
{

  QString vShaderSrc("#version 330\n"
    "layout(location = 0) in vec4 position;\n"
    "layout(location = 1) in vec4 colour;\n"
    "layout(location = 2) in mat4 matrix;\n"
    "smooth out vec4 col;\n"
    "void main() {\n"
    "   col = colour;\n"
    "   gl_Position = matrix * position;\n"
    "}\n");

  QString fShaderSrc("#version 330\n"
    "smooth in vec4 col;\n"
    "void main() {\n"
    "   gl_FragColor = col;\n"
    "}\n");


  _program = new QOpenGLShaderProgram(this);
  _program->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Vertex, vShaderSrc);
  _program->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Fragment, fShaderSrc);
  _program->link();


}

void GLWindow::exposeEvent(QExposeEvent *event)
{
  Q_UNUSED(event);

  if (isExposed())
  {
    if (! _context)
    {
      _context = new QOpenGLContext(this);
      QSurfaceFormat format(requestedFormat());
      format.setVersion(3,3);
      format.setDepthBufferSize(24);

      _context->setFormat(format);
      _context->create();

      _context->makeCurrent(this);
      initializeOpenGLFunctions();

      _func330 = _context->versionFunctions<QOpenGLFunctions_3_3_Core>();
      if (_func330)
        _func330->initializeOpenGLFunctions();
      else
      {
        qWarning() << "Could not obtain required OpenGL context version";
        exit(1);
      }

      initGL();
    }

    paintGL();
  }
}

glwindow.h:

#ifndef GL_WINDOW_H
#define GL_WINDOW_H

#include <QExposeEvent>
#include <QSurfaceFormat>
#include <QWindow>

#include <QOpenGLBuffer>
#include <QOpenGLContext>
#include <QOpenGLFunctions>
#include <QOpenGLFunctions_3_3_Core>
#include <QOpenGLShaderProgram>
#include <QOpenGLVertexArrayObject>


class GLWindow : public QWindow, protected QOpenGLFunctions
{
  Q_OBJECT
public:
  GLWindow(QWindow * = 0);
  virtual ~GLWindow();

  void initGL();
  void paintGL();
  void resizeGL(int, int);

protected:
  virtual void exposeEvent(QExposeEvent *);


private:

  void setupShaders();

  QOpenGLBuffer _vbo;
  QOpenGLBuffer _matbo;
  QOpenGLContext *_context;
  QOpenGLShaderProgram *_program;
  QOpenGLVertexArrayObject _vao;
  QOpenGLFunctions_3_3_Core *_func330;

  GLuint _positionAttr;
  GLuint _colourAttr;
  GLuint _matrixAttr;

  size_t _colourOffset;

} ; 

#endif

glbuffertest.cpp:

#include <QGuiApplication>
#include <QSurfaceFormat>

#include "glwindow.h"



int main(int argc, char **argv)
{

  QGuiApplication app(argc, argv);

  GLWindow window;  
  window.resize(400, 400);
  window.show();

  return app.exec();

}

glbuffertest.pro:

######################################################################
# Automatically generated by qmake (3.0) Fri May 16 09:49:41 2014
######################################################################

TEMPLATE = app
TARGET = glbuffertest
INCLUDEPATH += .

CONFIG += qt debug

# Input
SOURCES += glbuffertest.cpp glwindow.cpp
HEADERS += glwindow.h

更新： 我试图摆脱我的_matbo缓冲区，而是将矩阵数据放入与位置和颜色属性相同的VBO中，但对我来说不起作用。我的initGL函数现在如下：

void GLWindow::initGL()
{  
  setupShaders();
  _program->bind();
  _positionAttr = _program->attributeLocation("position");
  _colourAttr = _program->attributeLocation("colour");
  _matrixAttr = _program->attributeLocation("matrix");

  QVector<QVector3D> triangles;
  triangles << QVector3D(-0.5, 0.5, 1) << QVector3D(-0.5, -0.5, 1) << QVector3D(0.5, -0.5, 1);
  triangles << QVector3D(0.5, 0.5, 0.5) << QVector3D(-0.5, -0.5, 0.5) << QVector3D(0.5, -0.5, 0.5);

  QVector<QVector3D> colours;
  colours << QVector3D(1, 0, 0) << QVector3D(0, 1, 0) << QVector3D(0, 0, 1);
  colours << QVector3D(1, 1, 1) << QVector3D(1, 1, 1) << QVector3D(1, 1, 1);

  _vao.create();
  _vao.bind();

  _vbo.create();
  _vbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);
  _vbo.bind();

  size_t positionSize = triangles.size() * sizeof(QVector3D);
  size_t colourSize = colours.size() * sizeof(QVector3D);
  size_t matrixSize = 4 * sizeof(QVector4D);
  _vbo.allocate(positionSize + colourSize + matrixSize);
  _vbo.bind();
  _vbo.write(0, triangles.constData(), positionSize);
  _vbo.write(positionSize, colours.constData(), colourSize);


  _colourOffset = positionSize;
  _matrixOffset = positionSize + colourSize;

  _program->setAttributeBuffer(_positionAttr, GL_FLOAT, 0, 3, 0);
  _program->setAttributeBuffer(_colourAttr, GL_FLOAT, _colourOffset, 3, 0);
  _program->setAttributeBuffer(_matrixAttr, GL_FLOAT, _matrixOffset, 4, 4 * sizeof(QVector4D));

  _program->enableAttributeArray(_positionAttr);  
  _program->enableAttributeArray(_colourAttr);
  _program->enableAttributeArray(_matrixAttr);
  _func330->glVertexAttribDivisor(_matrixAttr, 1);

  _vao.release();

  _program->release();
  resizeGL(width(), height());
}

和 paintGL：

void GLWindow::paintGL()
{
  if (! _context) // not yet initialized
    return;

  _context->makeCurrent(this);
  QColor background(Qt::black);

  glClearColor(background.redF(), background.greenF(), background.blueF(), 1.0f);
  glClearDepth(1.0f);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  QMatrix4x4 matrix;
  matrix.perspective(60, 4.0/3.0, 0.1, 100.0);
  matrix.translate(0, 0, -2);


  _program->bind();

  _vao.bind();
  _vbo.write(_matrixOffset, matrix.constData(), 4 * sizeof(QVector4D));

  /* I tried replacing the three preceding lines with the following, without success: */

  /*
  _vao.bind();
  _vbo.bind();
  _vbo.write(_matrixOffset, matrix.constData(), 4 * sizeof(QVector4D));


  _program->bind();
  _program->enableAttributeArray(_matrixAttr);
  _func330->glVertexAttribDivisor(_matrixAttr, 1); */

  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  _func330->glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 1);

  _vao.release();

  _program->release();

  _context->swapBuffers(this);
  _context->doneCurrent();

}

看起来我的实例化问题不仅仅是在错误的时间绑定了错误的缓冲区。我还做错了什么？
2个回答
6

我认为您需要创建一个VBO来存储位置信息，再创建一个VBO来存储颜色信息（或者使用带有步长的交错数据）。VAO允许您使用多个VBO，每个属性对应一个VBO。

vao.create();
vao.bind();
// prepare your shader program
// ...
// prepare your VBOs : one VBO for pos, one VBO for colors, one for normals,...
// example for position
vertexPositionBuffer.create();
vertexPositionBuffer.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw); 
vertexPositionBuffer.bind();
// if your store the points using QVector<QVector3D>
vertexPositionBuffer.allocate(vertices.constData(), vertices.size() * sizeof(QVector3D));
vertexPositionBuffer.release();
// do the same for colors or other attributes
// ...
// after all buffers are created
shaderProgram.bind();
// Bind the position buffer
vertexPositionBuffer.bind();
shaderProgram.enableAttributeArray("vertexPosition");
shaderProgram.setAttributeBuffer("vertexPosition", GL_FLOAT, 0, 3);
vertexPositionBuffer.release();
// do the same for all other buffers
// ...
shaderProgram.release();
// release vao 
vao.release();

and in your paintGL function:

// update your matrices
// bind your shader program
// set you uniform variables
// then
vao.bind();
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, vertices.size());
vao.release();
// release your shader program
1
因为我正在使用实例化，所以有些属性也需要在绘制时更新，因此我需要绑定适当的缓冲区。对于多个属性共享一个缓冲区，我使用了偏移方法来处理颜色和位置属性，但是它们所在的VBO似乎在我再次绑定VAO时（在绘制时）没有被绑定。 - rainbowgoblin
  1. 在写入VBO之前，必须绑定它。
  2. 我认为在绑定程序后，在paintGL函数中写入VBO是不安全的。
  3. 在写入VBO之前，不需要绑定VAO。
  4. 应该使用DynamicDraw。
 - Bertrand
  1. 在paintGL函数内写入VBO应该是可以的...这就是我链接的那个实例教程所做的。实际上，使用实例化是必要的。但只有当前绑定的VBO才能被写入（我想...如果您尝试写入另一个VBO，我可以详细说明发生了什么）。
  2. 实际上，在我发布的第一段代码中，我没有绑定VAO就写入了_matbo。
  3. 我不确定DynamicDraw如何帮助:(
 - rainbowgoblin
在paintGL中，_vbo.write可以不绑定吗？阅读QT文档：在写入之前必须将_vbo绑定。我不明白你真正想做什么：你的矩阵似乎是恒定的，那为什么不使用uniform？如果你想使用实例，你必须为对象的每个实例提供属性（例如：每个实例的一个变换矩阵）：vbos用于存储由instanceId索引的属性数组。 - Bertrand
不是这样的：在 paintGL 中，你需要绑定顶点数组（_vao.bind），而不是缓冲区，并在之后调用 _vbo.write。 - Bertrand
显示剩余5条评论
5
我明白了。主要问题如下：
  1. 我必须循环遍历mat4属性的所有四个列，设置和启用每个列，并在每个列上调用glVertexAttribDivisor()。
  2. 在我的mat4属性中，我完全搞砸了对QOpenGLShaderProgram::setAttributeBuffer() 的调用。
基本上，你必须将mat4视为四个单独的vec4属性(每个列一个)。这对于如何将QMatrix4x4数据复制到QOpenGLBuffer对象并不会有任何影响，只会影响告诉着色器程序如何处理这些数据。这在我最初提出问题时链接的教程和The OpenGL Programming Guide的实例化教程中都有很好地描述，但我没有理解。所以，回到上面第一次尝试的glwindow.cpp，我几乎没有改变什么，现在一切都可以运行：
#include "glwindow.h"

#include <QColor>
#include <QMatrix4x4>
#include <QVector>
#include <QVector3D>
#include <QVector4D>

#include <QDebug>


GLWindow::GLWindow(QWindow *parent) 
  : QWindow(parent)
  , _vbo(QOpenGLBuffer::VertexBuffer)
  , _matbo(QOpenGLBuffer::VertexBuffer)
  , _context(0)
{
  setSurfaceType(QWindow::OpenGLSurface);
}

GLWindow::~GLWindow()
{}

void GLWindow::initGL()
{  
  setupShaders();
  _program->bind();
  _positionAttr = _program->attributeLocation("position");
  _colourAttr = _program->attributeLocation("colour");
  _matrixAttr = _program->attributeLocation("matrix");

  QVector<QVector3D> triangles;
  triangles << QVector3D(-0.5, 0.5, 1) << QVector3D(-0.5, -0.5, 1) << QVector3D(0.5, -0.5, 1);
  triangles << QVector3D(0.5, 0.5, 0.5) << QVector3D(-0.5, -0.5, 0.5) << QVector3D(0.5, -0.5, 0.5);

  QVector<QVector3D> colours;
  colours << QVector3D(1, 0, 0) << QVector3D(0, 1, 0) << QVector3D(0, 0, 1);
  colours << QVector3D(1, 1, 1) << QVector3D(1, 1, 1) << QVector3D(1, 1, 1);

  _vao.create();
  _vao.bind();

  _vbo.create();
  _vbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);
  _vbo.bind();

  size_t positionSize = triangles.size() * sizeof(QVector3D);
  size_t colourSize = colours.size() * sizeof(QVector3D);
  _vbo.allocate(positionSize + colourSize);
  _vbo.bind();
  _vbo.write(0, triangles.constData(), positionSize);
  _vbo.write(positionSize, colours.constData(), colourSize);
  _colourOffset = positionSize;

  _program->setAttributeBuffer(_positionAttr, GL_FLOAT, 0, 3, 0);
  _program->setAttributeBuffer(_colourAttr, GL_FLOAT, _colourOffset, 3, 0);

  _program->enableAttributeArray(_positionAttr);  
  _program->enableAttributeArray(_colourAttr);


  _matbo.create();
  _matbo.setUsagePattern(QOpenGLBuffer::StaticDraw);
  _matbo.bind();

  _matbo.allocate(4 * sizeof(QVector4D));

  // This is completely wrong
  /*_program->setAttributeBuffer(_matrixAttr, GL_FLOAT, 0, 4, 4 * sizeof(QVector4D));
  _program->enableAttributeArray(_matrixAttr);

  _func330->glVertexAttribDivisor(_matrixAttr, 1);
  */      

  // The right way to set up a mat4 attribute for instancing
  for (unsigned i = 0; i < 4; i++)
  {
    _program->setAttributeBuffer(_matrixAttr + i, GL_FLOAT, i * sizeof(QVector4D), 4, 4 * sizeof(QVector4D));
    _program->enableAttributeArray(_matrixAttr + i);
    _func330->glVertexAttribDivisor(_matrixAttr + i, 1);
  }

  _matbo.release();
  _vao.release();

  _program->release();
  resizeGL(width(), height());
}

void GLWindow::resizeGL(int w, int h)
{
  glViewport(0, 0, w, h);
}

void GLWindow::paintGL()
{
  if (! _context) // not yet initialized
    return;

  _context->makeCurrent(this);
  QColor background(Qt::black);

  glClearColor(background.redF(), background.greenF(), background.blueF(), 1.0f);
  glClearDepth(1.0f);
  glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);
  QMatrix4x4 matrix;
  matrix.perspective(60, 4.0/3.0, 0.1, 100.0);
  matrix.translate(0, 0, -2);

  _program->bind();
  _vao.bind();

  _matbo.bind();
  _matbo.write(0, matrix.constData(), 4 * sizeof(QVector4D));


  glEnable(GL_DEPTH_TEST);
  _func330->glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 1);

  _vao.release();

  _program->release();

  _context->swapBuffers(this);
  _context->doneCurrent();

}

void GLWindow::setupShaders()
{

  QString vShaderSrc("#version 330\n"
    "layout(location = 0) in vec4 position;\n"
    "layout(location = 1) in vec4 colour;\n"
    "layout(location = 2) in mat4 matrix;\n"
    "smooth out vec4 col;\n"
    "void main() {\n"
    "   col = colour;\n"
    "   gl_Position = matrix * position;\n"
    "}\n");

  QString fShaderSrc("#version 330\n"
    "smooth in vec4 col;\n"
    "void main() {\n"
    "   gl_FragColor = col;\n"
    "}\n");


  _program = new QOpenGLShaderProgram(this);
  _program->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Vertex, vShaderSrc);
  _program->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Fragment, fShaderSrc);
  _program->link();


}

void GLWindow::exposeEvent(QExposeEvent *event)
{
  Q_UNUSED(event);

  if (isExposed())
  {
    if (! _context)
    {
      _context = new QOpenGLContext(this);
      QSurfaceFormat format(requestedFormat());
      format.setVersion(3,3);
      format.setDepthBufferSize(24);

      _context->setFormat(format);
      _context->create();

      _context->makeCurrent(this);
      initializeOpenGLFunctions();

      _func330 = _context->versionFunctions<QOpenGLFunctions_3_3_Core>();
      if (_func330)
        _func330->initializeOpenGLFunctions();
      else
      {
        qWarning() << "Could not obtain required OpenGL context version";
        exit(1);
      }

      initGL();
    }

    paintGL();
  }
}

请注意，我还移动了_matbo的绑定和mat4属性的设置，以便在释放VAO之前完成所有操作。一开始我对允许使用多少个VBO并且何时需要绑定感到非常困惑。在单个VAO内有多个VBO没有问题，只是需要将正确的VBO绑定以进行写入，并且在调用QOpenGLShaderProgram :: setAttributeBuffer()之前需要绑定正确的VBO。当调用glDraw*()时绑定哪个缓冲区并不重要（如果我有错误，请相信会有人评论）。
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