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用Indexed-VBO渲染3DS模型

2011-2-12 10:36:19 | 发布:zwqxin

 以前做DEMO的时候，总是导入几个模型进场景就让FPS哭泣了，当然也知道从OpenGL1.0流传下来的glVertex3f打点渲染法是个务实的伙子，但VBO什么的还是在向我招手，后来整理框架的时候便干脆转向VBO了，另外也好好修理了一下原来的3DS导入类，于是也就有了ZWModel3DS了。于是效率就士别了三日了。——ZwqXin.com

用Indexed-VBO渲染3DS模型

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      原文地址：http://www.zwqxin.cn/archives/opengl/idexed-vbo-for-model-3ds-rendering.html

确实，这个连固定管线也要说拜拜的年头，glVertex3f的效率真是太悲催了，先不说glBegin/glEnd之间的颇大的函数调用消费多么让CPU心伤了，GPU也更喜欢VBO这种随用随拿的新潮货。在两年前的[一个读取3DS文件的类CLoad3DS浅析Ⅰ]/[一个读取3DS文件的类CLoad3DS浅析Ⅱ]中提到的CLoad3DS类是以glBegin(GL_TRIANGLES)/glEnd()夹杂glVertex3f来完成渲染的，渲染效率有时候确实让我有点郁闷，现在便改成VBO吧。

3DS文件结构对于生成VBO是有其天性般的便利的——在【3DS文件结构的初步认识】中提到3DS内部树状构造是一个一个的chunk，其中Object也是一个chunk，其子节支包含了该Object网格渲染所需的基本信息（包括纹理坐标），面信息的索引也是单单针对该Object的，因此可以认为Object与Object（网格对象）之间是独立的，这样每个Object形成单独的VBO就毫无压力了。而与[OBJ模型文件的结构、导入与渲染Ⅰ]类似，材质信息作为另外的chunk导入，形成ID供Object在渲染的时候查询，这样就省去顶点颜色之类的VBO。另外，3DS文件内没有法线信息（从目前已解读格式来看），自己计算吧：面都是三角面，面的两个边向量（按序连接）的叉积获得面法向量，顶点法线由拥有该点的面的面法线的均值取得（比较粗糙的获取法）。3DS是可以包含关健帧信息的，因此3DS模型也可能是帧动画模型，但是现在一般都推崇骨骼动画，而且3DS里面的动画信息也是2进制表示（估计是矩阵量之类），比较难解读，网上资料也比较少。（本类不支持3DS动画。）

与OBJ不同的还有，3DS文件每个chunk的header指示了chunk的大小，所以在制定导入数据结构的时候，可以不用vector而用固定的缓存区保存数据（new出来）——免去vecor的2阶内存分配带来的性能耗损：

  1. // 对象信息结构体
  2. typedef struct tag3DObject 
  3. {
  4.     int             numOfVerts;         // 模型中顶点的数目
  5.     int             numOfTexcoords;     // 模型中纹理坐标的数目
  6.     int             numOfIndexes;        // 模型中顶点索引数目
  7.     int             numOfFaces;         // 模型中面的数目[numOfIndexes/3]
  8.     int             nMaterialID;        // 纹理ID
  9.     bool            bHasTexture;        // 是否具有纹理映射
  10.     char            strName[MAX_NAME];  // 对象的名称
  11.     Vector3        *pVerts;             // 对象的顶点
  12.     Vector3        *pNormals;           // 对象的法向量
  13.     TexCoord       *pTexcoords;         // 纹理UV坐标
  14.     unsigned short *pIndexes;            // 对象的顶点索引
  15.     GLuint          nPosVBO;
  16.     GLuint          nNormVBO;
  17.     GLuint          nTexcoordVBO;
  18.     GLuint          nIndexVBO;
  19. }t3DObject;

生成（绑定）VBO：

  1. for(unsigned int i = 0; i < m_Model3DS.t3DObjVec.size(); i++) 
  2. {
  3.     if(m_Model3DS.t3DObjVec[i].pVerts)
  4.     {
  5.         glGenBuffers(1, &m_Model3DS.t3DObjVec[i].nPosVBO);
  6.         glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_Model3DS.t3DObjVec[i].nPosVBO);
  7.         glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, m_Model3DS.t3DObjVec[i].numOfVerts * sizeof(Vector3), 
  8.             (GLvoid*)m_Model3DS.t3DObjVec[i].pVerts, usage);
  9.     }
  10.  
  11.     if((GLvoid*)m_Model3DS.t3DObjVec[i].pNormals)
  12.     {
  13.         glGenBuffers(1, &m_Model3DS.t3DObjVec[i].nNormVBO);
  14.         .......
  15.                }
  16.  
  17.     if(m_Model3DS.t3DObjVec[i].pTexcoords)
  18.     {
  19.         glGenBuffers(1, &m_Model3DS.t3DObjVec[i].nTexcoordVBO);
  20.         .......
  21.     }
  22.  
  23.     if(m_Model3DS.t3DObjVec[i].pIndexes)
  24.     {
  25.         glGenBuffers(1, &m_Model3DS.t3DObjVec[i].nIndexVBO);
  26.         glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_Model3DS.t3DObjVec[i].nIndexVBO);
  27.         glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_Model3DS.t3DObjVec[i].numOfIndexes * sizeof(unsigned short), 
  28.             (GLvoid*)m_Model3DS.t3DObjVec[i].pIndexes, usage);
  29.     }
  30. }

Indexed-VBO的介绍见[索引顶点的VBO与多重纹理下的VBO]。这里遍历网格对象（Object），生成VBO并传输数据，是第一步（导入数据在传输给VBO后应该销毁）；

  1. ///////////////////////////////////////////////////绘制模型
  2. void ZWModel3DS::DrawModel()
  3. {
  4.     // 遍历模型中所有的对象
  5.     for(unsigned int i = 0; i < m_Model3DS.t3DObjVec.size(); i++) 
  6.     {
  7.         // 获得当前显示的对象
  8.         t3DObject *t3DObj = &m_Model3DS.t3DObjVec[i];
  9.  
  10.         // 判断该对象是否有纹理映射
  11.         if(t3DObj->bHasTexture && m_Model3DS.bIsTextured && t3DObj->nMaterialID >= 0) 
  12.         {  
  13.             glColor3ub(255, 255, 255);
  14.  
  15.             // 打开纹理映射
  16.             if(NULL != m_Model3DS.tMatInfoVec[t3DObj->nMaterialID].TexObjDiffuseMap)
  17.             {
  18.                 glActiveTexture(m_Model3DS.tMatInfoVec[t3DObj->nMaterialID].TexObjDiffuseMap);
  19.                 glEnable(GL_TEXTURE_2D);
  20.                 glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_Model3DS.tMatInfoVec[t3DObj->nMaterialID].nDiffuseMap);
  21.             }
  22.         } 
  23.         else 
  24.         {
  25.             glDisable(GL_TEXTURE_2D);
  26.             if(-1 != t3DObj->nMaterialID)
  27.             {
  28.                 BYTE *pColor = m_Model3DS.tMatInfoVec[t3DObj->nMaterialID].color;
  29.                 glColor3ub(pColor[0], pColor[1], pColor[2]);
  30.             }
  31.         }
  32.  
  33.         glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_Model3DS.t3DObjVec[i].nPosVBO);
  34.         glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
  35.         glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, NULL);
  36.  
  37.         glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_Model3DS.t3DObjVec[i].nNormVBO);
  38.         glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);
  39.         glNormalPointer(GL_FLOAT, 0, NULL);
  40.  
  41.         if(m_Model3DS.t3DObjVec[i].nTexcoordVBO)
  42.         {
  43.             glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_Model3DS.t3DObjVec[i].nTexcoordVBO);
  44.             glEnableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
  45.             glTexCoordPointer(2, GL_FLOAT, 0, NULL);
  46.         }
  47.  
  48.         glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, m_Model3DS.t3DObjVec[i].nIndexVBO);
  49.         
  50.         glDrawElements(GL_TRIANGLES, m_Model3DS.t3DObjVec[i].numOfIndexes, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL);
  51.  
  52.         glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, NULL);
  53.  
  54.         if(m_Model3DS.t3DObjVec[i].nTexcoordVBO)
  55.         {
  56.             glDisableClientState(GL_TEXTURE_COORD_ARRAY);
  57.         }
  58.         glDisableClientState(GL_NORMAL_ARRAY);
  59.         glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY);
  60.         glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, NULL);
  61.  
  62.         if(t3DObj->bHasTexture && m_Model3DS.bIsTextured && t3DObj->nMaterialID >= 0) 
  63.         { 
  64.             if(NULL != m_Model3DS.tMatInfoVec[t3DObj->nMaterialID].TexObjDiffuseMap)
  65.             {
  66.                 glActiveTexture(m_Model3DS.tMatInfoVec[t3DObj->nMaterialID].TexObjDiffuseMap);
  67.                 glDisable(GL_TEXTURE_2D);
  68.             }
  69.         }
  70.     }
  71. }

以上为渲染部分，也是遍历网格对象，分别绑定和启用该对象的各个顶点属性VBO，指定数据格式等，以glDrawElements进行Indexed-VBO的数据绘制。类的索引类型必须统一，一般是unsigned short或unsigned int。纹理部分与OBJ一样根据textureObject绑定[OBJ模型文件的结构、导入与渲染Ⅱ]，3DS一般只有单一类型的纹理（diffuseTex）。以上为第2步。

  1. ZWModel3DS::~ZWModel3DS()
  2. {   
  3.     //释放VBO
  4.     for(unsigned int i = 0; i < m_Model3DS.t3DObjVec.size(); i++) 
  5.     {
  6.         glDeleteBuffers(1, &m_Model3DS.t3DObjVec[i].nPosVBO);
  7.         glDeleteBuffers(1, &m_Model3DS.t3DObjVec[i].nNormVBO);
  8.         glDeleteBuffers(1, &m_Model3DS.t3DObjVec[i].nTexcoordVBO);
  9.         glDeleteBuffers(1, &m_Model3DS.t3DObjVec[i].nIndexVBO);
  10.     }
  11.     m_Model3DS.t3DObjVec.clear();
  12.     m_Model3DS.tMatInfoVec.clear();
  13. }

注销模型的时候才释放VBO，和Vector里的其他非堆上分配的数据。为第三步。以上完成索引VBO的结合。

3DS的chunk块读入基本不变，去除面信息、面法线信息等一般不需要用到的东西，读入索引信息以代替面信息。ZWModel3DS类继承于ZWModelBase类：

  1. //模型基类
  2. class ZWModelBase
  3. {
  4. public:
  5.     ZWModelBase();              
  6.     virtual ~ZWModelBase() = 0;
  7.  
  8.     virtual bool ImportModel(wchar_t *strFileName, GLuint usage = GL_STREAM_DRAW) = 0{ return true; }
  9.  
  10.     void RenderModel();
  11.  
  12.     inline void SetModelResourceDirectory(wchar_t *szDirectory){ m_szResourceDirectory = szDirectory; }
  13.  
  14.         .........//Set  /  Get  函数
  15.   
  16.     virtual GLuint GetMaterialMapHandle(GLuint nMapType, char *szMaterialName) = 0{ return 0; }
  17.  
  18.     virtual bool   SetEnableMaterialMap(GLuint nMapType, GLuint nTextureObject = GL_TEXTURE0) = 0{ return false; }
  19.  
  20.     virtual void   SetEnableModelTexture(bool bEnable) = 0{}
  21.  
  22.     void SetStaticGeometry(bool bStatic = true);
  23.     
  24. protected:
  25.     //绘制模型
  26.     virtual void DrawModel() = 0{}
  27.  
  28.     GLuint LoadModelTexture(wchar_t *szTexPathName, GLint nTexWrapMode = GL_REPEAT);
  29.  
  30.     wchar_t *m_szResourceDirectory;
  31.  
  32.     GLuint  m_nStaticDisplayList;
  33.  
  34.     Vector3 m_vModelPosition;
  35.     Vector3 m_vModelRotation;
  36.     Vector3 m_vModelSize;
  37. };

一般我们会建立一个全局静态的模型管理类（单件），把各个模型抽象成ModelBase供其按需调用。所以这个类是纯虚基类，3DS模型、MD2模型、OBJ模型……等等乃至之后可能会支持的模型格式的导入-渲染类都继承于它，动态定型。这个类中熟悉的是bool ImportModel(wchar_t *strFileName, GLuint usage）和void RenderModel()，应用层必须至少间接地调用它们来进行模型数据的导入和渲染。前者直接由继承类具体实现（usage参数指示VBO的用途以便OpenGL对之优化，对于这种模型绘制，也就是GL_STATIC_DRAW、GL_STREAM_DRAW、GL_DYNAMIC_DRAW[少用]，见[索引顶点的VBO与多重纹理下的VBO]）；后者其实就是在模型矩阵变换函数后调用具体的渲染执行函数DrawModel()，也是由子类具体实现：

  1. void ZWModelBase::RenderModel()
  2. {
  3.     glPushAttrib(GL_CURRENT_BIT);//保存现有属性
  4.     glPushMatrix();
  5.  
  6.     glTranslatef(m_vModelPosition.x, m_vModelPosition.y, m_vModelPosition.z);
  7.     glScalef(m_vModelSize.x,  m_vModelSize.y,  m_vModelSize.z);
  8.     glRotatef(m_vModelRotation.x,1,0,0);
  9.     glRotatef(m_vModelRotation.z,0,0,1);
  10.     glRotatef(m_vModelRotation.y,0,1,0);
  11.  
  12.     if(m_nStaticDisplayList)
  13.     {
  14.         glCallList(m_nStaticDisplayList);
  15.     }
  16.     else
  17.     {
  18.         DrawModel();
  19.     }
  20.  
  21.     glPopMatrix();
  22.     glPopAttrib();          //恢复前一属性
  23.  
  24. }

LoadModelTexture实现纹理载入功能；SetModelResourceDirectory指定模型的存放目录；SetStaticGeometry实现把渲染改为静态（显示列表模式）；除了载入和渲染执行函数外，还有3个函数也是继承类必须要具体实现的：GetMaterialMapHandle其实就是获得对应MapType的纹理ID，供应用层使用；etEnableMaterialMap就是启用某个MapType，并把对应的纹理绑定到指定的TextureObject中，这样方便shader等的调用。MapType应该由模型管理类或者继承类定义，譬如DiffuseMap、BumpMap等等。最后SetEnableModelTexture指定模型是否显示纹理。

显示列表，学OpenGL的同学不会陌生。把数据完全交给OpenGL的server端（显卡/GPU），在该固定区域中驻留的话GPU执行调用就很迅速了。完全超越CPU、DMA、显存的其他部位等等，这样调用显示列表渲染的效率就比glVertex3f打点、VertexArray、VBO要高。代价是不能更改数据。事实上很多场景下的静态模型可以调用下面这个函数，启用静态模式，生成显示列表对象后“一本满足”，渲染时候直接CallList调用该显示列表（默认不是开启的）。注意提供的渲染执行函数（DrawModel）里面不要包含任何矩阵转换的函数。其实这里生成显示列表时候也是用VBO渲染（是否GL_STATIC_DRAW问题不大吧~）对于之后是否撤除VBO留个问。

  1. void ZWModelBase::SetStaticGeometry(bool bStatic)
  2. {
  3.     if(!bStatic && m_nStaticDisplayList)
  4.     {
  5.         glDeleteLists(m_nStaticDisplayList, 1);
  6.  
  7.         m_nStaticDisplayList = 0;
  8.     }
  9.     else if(bStatic && !m_nStaticDisplayList)
  10.     {
  11.         m_nStaticDisplayList = glGenLists(1);
  12.  
  13.         glNewList(m_nStaticDisplayList, GL_COMPILE);
  14.  
  15.         DrawModel();
  16.  
  17.         glEndList();
  18.     }
  19. }

阁下发现有什么BUG或者有什么建议，一定请不吝赐教。在下博客http://www.ZwqXin.com。附上ZWModel类的使用123：

  1. 在ZWModelBase - LoadModelTexture中用自己的纹理导入函数代替;
  2. 在ZWModel[Derived]中更改两个typedef为自己的Vector3类(x,y,z)和Texcoord类(u,v);
  3. 更改代码中的Vector3操作函数为自己的;
  4. 去除ZWTextureMgr.h和ZWVector3.h等

最后展示一下3DS模型，用传统方法和VBO在渲染效率上的区别：

测试中使用了4个简单的车模和一个象征性的teaport模型，3ds文件的平均大小是35k左右。在场景中循环绘制20次（相当于绘制100个平均30多k的模型）：

  1. for(int i = 0; i < 20; ++i)
  2. {
  3.     RenderAll();
  4. }

以下为其他条件相近下，传统的面索引glVertex3f打点绘制与使用Indexed-VBO绘制的FPS比照：

用Indexed-VBO渲染3DS模型

用Indexed-VBO渲染3DS模型

按照我在[SwapBuffers的等待，虚伪的FPS]说的，这种实时演算的FPS用于标示真实值是不可靠的，但是作为比较用途则很少多时候能说明问题。当然500+的FPS或许有点虚高了（FPS过高过低都会有点“虚”），但至少你也能看出这里头起码有20倍的关系。（这比起[Bmp文件的结构与基本操作(逐像素印屏版)]和 [认识HBITMAP与Bmp操作(整内存拷贝版)]的差别还要揪心。）

要说怎么不多渲染几个pass来看看？以下是VBO方式，循环由20改为100：

用Indexed-VBO渲染3DS模型

而此时对应的传统方法，真的只显示4FPS了。事实上循环为50左右的时候FPS也没超过10FPS。不忍卒读……

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Tags: 3DS  代码  模型  VBO  
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  • quote 1.customer
  • 你好，我想试一下用vbo载入3ds的渲染速度，现在还比较才，能否发一下你的源代码。谢谢！我的邮箱是rizhaohaitao@（yahoo.com）
  • 2011-4-9 20:06:46 回复该留言
  • quote 2.vockey

  • 你好，我想试一下用vbo载入3ds的渲染速度，能否发一下你的源代码。谢谢！我的邮箱是vockey@163.com




  • 2011-5-12 16:35:52 回复该留言
  • quote 3.北国之春
  • 最近拜读了楼主的一些文章，大神呐！能否给发一份ZWModel3DS类的源码，不胜感谢！
    北国之春 于 2017-2-25 21:03:55 回复
    邮箱是lihsdop@163.com
  • 2017-2-25 21:03:17 回复该留言

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