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osg::DrawElements*系列函数及GL
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目录 1. 前言 2. osg::DrawElements*系列函数用法说明 3. GL_QUADS、GL_QUAD_STRIP用法及不同点 4. 效率对比 5. 总结 6. 参考资料 1. 前言利用osg绘制图元，如：三角形、四边形等，一般用osg::PrimitiveSet类。其派生出了很多子类，如下图所示：
图1 在开发中，用DrawElements*系列函数和osg::DrawArrays函数绘制图元比较多，本文以绘制四边形为例子，以osg::DrawElementsUShort、osg::DrawArrays来讲解怎样绘制四边形，及GL_QUAD_STRIP、GL_QUAD的不同、它们之间的效率。 2. osg::DrawElements*系列函数用法说明osg::DrawElements*系列函数osg::DrawElementsUShort、osg::DrawElementsUBye、osg::DrawElementsUInt从osg::DrawElements派生，而osg::DrawElements对应OPenGL的glDrawElements函数，关于glDrawElements函数用法，请参考： 《glDrawElements用法说明》。 osg::DrawArrays 类在直接从数组读取顶点数据时效果很好，没有间隙。 但是，当同一个顶点可以属于一个对象的多个面时，它就不那么有效了。 考虑这个例子：
图2 一个立方体有八个顶点。 然而，从图中可以看出（我们正在考虑将一个立方体扫到一个平面上），一些顶点属于多个面。 如果我们构建一个包含 12 个三角形面的立方体（注：虽然是绘制四边形，但GPU等硬件在真正绘制时，是用两个三角形来拼出一个四边形的，对于硬件来说绘制2个三角形比直接一个四边形效率更高，故6个四边形其实内部绘制是12个三角形绘制的），那么这些顶点将重复，而不是 8 个顶点的数组，我们将得到 36 个顶点的数组，其中大部分实际上是相同的顶点！ 在OSG中，有类 osg::DrawElementsUInt、 osg::DrawElementsUByte和 osg::DrawElementsUShort，它们使用顶点索引数组作为数据，旨在解决上述问题。 索引数组存储描述几何体的面和其他元素的图元顶点的索引。 将这些类应用于立方体时，存储八个顶点的数据就足够了，这些顶点通过索引数组与面相关联。 osg::DrawElements* 类型的类的设计方式与标准 std::vector 类的设计方式相同。 此代码可用于添加索引。如： osg::ref_ptr de = new osg::DrawElementsUInt(GL_TRIANGLES); de->push_back(0); de->push_back(1); de->push_back(2); de->push_back(3); de->push_back(0); de->push_back(2);此代码定义图2中所示的立方体的正面。考虑另一个说明性的例子——八面体。
图3 很有趣，因为它只包含六个顶点，但每个顶点已经在四个三角形面中了！ 我们可以使用 osg::DrawArrays 创建一个包含 24 个顶点的数组来显示所有八个面。 然而，我们将采取不同的方式——我们将顶点存储在一个包含六个元素的数组中，并使用类 osg::DrawElementsUInt 生成面。 main.h #ifndef MAIN_H #define MAIN_H #include #include #include #include #endifmain.cpp #include"main.h" int main(int argc, char *argv[]){ osg::ref_ptr vertices = new osg::Vec3Array(6); (*vertices)[0].set( 0.0f, 0.0f, 1.0f); (*vertices)[1].set(-0.5f, -0.5f, 0.0f); (*vertices)[2].set( 0.5f, -0.5f, 0.0f); (*vertices)[3].set( 0.5f, 0.5f, 0.0f); (*vertices)[4].set(-0.5f, 0.5f, 0.0f); (*vertices)[5].set( 0.0f, 0.0f, -1.0f); osg::ref_ptr indices = new osg::DrawElementsUInt(GL_TRIANGLES, 24); (*indices)[ 0] = 0; (*indices)[ 1] = 1; (*indices)[ 2] = 2; (*indices)[ 3] = 0; (*indices)[ 4] = 4; (*indices)[ 5] = 1; (*indices)[ 6] = 4; (*indices)[ 7] = 5; (*indices)[ 8] = 1; (*indices)[ 9] = 4; (*indices)[10] = 3; (*indices)[11] = 5; (*indices)[12] = 3; (*indices)[13] = 2; (*indices)[14] = 5; (*indices)[15] = 1; (*indices)[16] = 5; (*indices)[17] = 2; (*indices)[18] = 3; (*indices)[19] = 0; (*indices)[20] = 2; (*indices)[21] = 0; (*indices)[22] = 3; (*indices)[23] = 4; osg::ref_ptr geom = new osg::Geometry; geom->setVertexArray(vertices.get()); geom->addPrimitiveSet(indices.get()); osgUtil::SmoothingVisitor::smooth(*geom); osg::ref_ptr root = new osg::Geode; root->addDrawable(geom.get()); osgViewer::Viewer viewer; viewer.setSceneData(root.get()); return viewer.run(); }上述代码先创建一个有六个顶点的数组，然后使用指针解引用操作和 operator [] 操作符寻址其坐标向量 赋值。别忘了 osg::Array 是 std::vector 的派生类。然后为面创建为顶点索引列表。面将是三角形的，共有 8 个，这意味着索引列表应包含 24 个元素。 面索引按顺序进入此数组：例如，面 0 由顶点 0、1 和 2 组成； 面 1 - 顶点 0、4 和 1； 面 2 - 顶点 4、5 和 1，依此类推。 顶点按逆时针顺序列出，如果你看正面（见图3）。 3. GL_QUADS、GL_QUAD_STRIP用法及不同点GL_QUADS：绘制一系列四边形，首先使用顶点V0、V1、V2、V3绘制第1个四边形，然后是V4、V5、V6、V7绘制第2个四边形，接下来以次类推，如果顶点个数n不是4的倍数，最后1个、2个、3个顶点被忽略。注意：如果四边形之间的顶点坐标不相同，则这些四边形是分离的，如下：
图4 GL_QUAD_STRIP：绘制一系列四边形，首先使用顶点V0、V1、V3、V2绘制第1个四边形，接着是V2、V3、V5、V4，然后是V4、V5、V7、V6。以此类推。顶点个数n至少要大于4，否则不会绘制任何四边形。如果n是奇数，最后一点顶点就被忽略。如下：
图5 GL_QUAD_STRIP画出一组共享边的四边形。对于较小的模型，共享边的差异可以忽略不计；对于较大的模型，使用GL_QUAD_STRIP意味着显著地节省了计算次数。从第一对顶点开始，相邻的两对定点被定义成一个四边形。定点 2n-1、2n、2n+2和2n+1定义了第n个四边形。有|V|/2-1个四边形将被绘制，|V|代表顶点的个数，如果|V|小于4，OpenGL将不会绘制任何图形。所有四边形将以逆时针顺序排列，互相连接形成四边形带。注意用来构成四边形的顶点顺序和使用GL_QUADS时的顺序是不同的，每一个四边形的第二对定点被逆向使用，以使每一个四边形顶点能被一致地定义。
图6 4. 效率对比本节以osg::DrawElements*系列函数及GL_QUAD_STRIP、GL_QUADS绘制四边形，以看看它们之间的效率差别。绘制10个连接的立方体如下：
图7 代码如下： // QUAD_STRIP.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。 // #include #include #include #include //const auto g_quadCount = 1000000; const auto g_quadCount = 10; osg::ref_ptr createQuads3() { osg::ref_ptr spGeode = new osg::Geode;// Geode是Node的派生类，为了绘制图元的管理类 osg::ref_ptr spGeometory = new osg::Geometry; spGeode->addChild(spGeometory); osg::ref_ptr spCoordsArray = new osg::Vec3Array; auto offset = 0; int nGeomeryCount = 0; while (true) { // 前面 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前左下顶点 V1 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前右下顶点 V2 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前左上顶点 V3。注意：前左上顶点才是第3个顶点，而不是前右上顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前右上顶点 V4 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // V5 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // V6 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // V7 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // V8 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // V9 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // V10 offset += 2; // y轴方向上宽度为2 nGeomeryCount++; if (g_quadCount == nGeomeryCount) { break; } } spGeometory->setVertexArray(spCoordsArray); spGeometory->addPrimitiveSet(new osg::DrawArrays(GL_QUAD_STRIP, 0, spCoordsArray->size())); return spGeode; } osg::ref_ptr createQuads2() { osg::ref_ptr spGeode = new osg::Geode;// Geode是Node的派生类，为了绘制图元的管理类 osg::ref_ptr spGeometory = new osg::Geometry; spGeode->addChild(spGeometory); //spGeode->addDrawable(spGeometory);// 可以将addChild替换为这句。 osg::ref_ptr spCoordsArray = new osg::Vec3Array; auto totalVertCount = g_quadCount * 8; osg::DrawElementsUShort* pDrawElemt = new osg::DrawElementsUShort(GL_QUADS, 24 * g_quadCount); // 立方体共8个顶点,每个顶点重复了3次 auto iVertCount = 0; for (auto offset = 0; ; offset += 2) { spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 0 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 1 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 2 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 3 iVertCount += 4; if (iVertCount >= totalVertCount) { break; } } for (auto guadIndex = 0; guadIndex < g_quadCount; ++guadIndex) { auto nElementIndex = guadIndex * 24; // 右侧面 auto temp = 4 * guadIndex; (*pDrawElemt)[0 + nElementIndex] = 0 + temp; (*pDrawElemt)[1 + nElementIndex] = 4 + temp; (*pDrawElemt)[2 + nElementIndex] = 5 + temp; (*pDrawElemt)[3 + nElementIndex] = 1 + temp; // 前面 if (0 == guadIndex % 2)// 前一个立方体的后面和后一个立方体的前面重合，故只绘制一个 { (*pDrawElemt)[4 + nElementIndex] = 0 + temp; (*pDrawElemt)[5 + nElementIndex] = 1 + temp; (*pDrawElemt)[6 + nElementIndex] = 2 + temp; (*pDrawElemt)[7 + nElementIndex] = 3 + temp; } // 左侧面 (*pDrawElemt)[8 + nElementIndex] = 3 + temp; (*pDrawElemt)[9 + nElementIndex] = 7 + temp; (*pDrawElemt)[10 + nElementIndex] = 6 + temp; (*pDrawElemt)[11 + nElementIndex] = 2 + temp; // 上面 (*pDrawElemt)[12 + nElementIndex] = 1 + temp; (*pDrawElemt)[13 + nElementIndex] = 5 + temp; (*pDrawElemt)[14 + nElementIndex] = 6 + temp; (*pDrawElemt)[15 + nElementIndex] = 2 + temp; // 后面 (*pDrawElemt)[16 + nElementIndex] = 4 + temp; (*pDrawElemt)[17 + nElementIndex] = 5 + temp; (*pDrawElemt)[18 + nElementIndex] = 6 + temp; (*pDrawElemt)[19 + nElementIndex] = 7 + temp; // 底面 (*pDrawElemt)[20 + nElementIndex] = 0 + temp; (*pDrawElemt)[21 + nElementIndex] = 4 + temp; (*pDrawElemt)[22 + nElementIndex] = 7 + temp; (*pDrawElemt)[23 + nElementIndex] = 3 + temp; } spGeometory->setVertexArray(spCoordsArray); spGeometory->addPrimitiveSet(pDrawElemt); return spGeode; } osg::Geode* createQuads1() { auto pGeode = new osg::Geode; auto pGeomery = new osg::Geometry; pGeode->addChild(pGeomery); auto spCoordsArray = new osg::Vec3Array; auto offset = 0; int nGeomeryCount = 0; while (true) { // 右侧面 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前右下顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后右下顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后右上顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前右上顶点 // 前面 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 右下顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 右上顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 左上顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 左下顶点 // 左侧面 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前左下顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前左上顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后左上顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后左下顶点 // 后面 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后下顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后上顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 左上顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 左下顶点 // 上面 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前右顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后右顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, 1.0)); // 后左顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, 1.0)); // 前左顶点 // 底面 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前右顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后右顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, 1.0 + offset, -1.0)); // 后左顶点 spCoordsArray->push_back(osg::Vec3d(-1.0, -1.0 + offset, -1.0)); // 前左顶点 offset += 2; // y轴方向上宽度为2 nGeomeryCount++; if (g_quadCount == nGeomeryCount) { break; } } pGeomery->setVertexArray(spCoordsArray); pGeomery->addPrimitiveSet(new osg::DrawArrays(GL_QUADS, 0, spCoordsArray->size())); return pGeode; } int main() { auto pRoot = new osg::Group; auto pGeode = createQuads3(); pGeode->getOrCreateStateSet()->setAttribute( new osg::PolygonMode(osg::PolygonMode::FRONT_AND_BACK, osg::PolygonMode::LINE)); pGeode->getOrCreateStateSet()->setMode(GL_LIGHTING, osg::StateAttribute::OFF); pRoot->addChild(pGeode); auto pViewer = new osgViewer::Viewer; auto pStatsHander = new osgViewer::StatsHandler; pViewer->addEventHandler(pStatsHander); pViewer->setSceneData(pRoot); pViewer->run(); }当g_quadCount为10时，把第195行代码分别换成createQuads1、createQuads2、createQuads3，在视景器窗体中连续按4次键盘小写s键时，createQuads1函数即用osg::DrawArrays及GL_QUADS各性能指标如下：
图8 osg::DrawArrays及GL_QUADS绘制10个立方体时的各性能指标 createQuads2函数即用osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS各性能指标如下： 图9 osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS绘制10个立方体时的各性能指标 createQuads3函数即用osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP各性能指标如下：
图10 osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP绘制10个立方体时的各性能指标 当绘制的立方体个数为10即立方体个数很少时，这三者在GPU占用、帧率、绘制、裁剪等方面差别不是很大。 当将g_quadCount改为1000000时， createQuads1函数即用osg::DrawArrays及GL_QUADS各性能指标如下： 图11 osg::DrawArrays及GL_QUADS绘制1000000个立方体时的各性能指标 createQuads2函数即用osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS各性能指标如下：
图12 osg::DrawElementsUShort及GL_QUADS绘制1000000个立方体时的各性能指标 createQuads3函数即用osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP各性能指标如下：
图13 osg::DrawArrays及GL_QUAD_STRIP绘制100000个立方体时的各性能指标 当要绘制的立方体很多时， 采用osg::DrawArrays和GL_QUAD_STRIP明显比osg::DrawElementsUShort及osg::DrawArrays和GL_QUADS效率高很多、GPU占用大大减少、帧率高；而osg::DrawElementsUShort和GL_QUADS比osg::DrawArrays和GL_QUADS效率高一些，因为osg::DrawElementsUShort采取的是点的索引，剔除了重复，所以效率会高点。 5. 总结 osg::DrawElements*系列函数采用点的索引绘制图元，而osg::DrawArrays采用点的数组来绘制图元，当点个数很多时，前者效率高些。当点个数是巨大量时，GL_QUAD_STRIP比采用GL_QUADS效率高很多。同样地GL_TRIANGLE_STRIP绘制三角形时效率比GL_TRIANGLES高。上述代码main函数中用到了统计和性能相关的各项参数的osgViewer::StatsHandler类，关于该类的用法，请参考：浅谈osgViewer::StatsHandler、osg::Stats类的用法 6. 参考资料【1】：OpenGL编程指南（原书第7版）。 【2】：理解GL_QUAD_STRIP。 【3】：OSG几何开发快速教程。 |
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