[OpenGL] VBO(Vertex Buffer Objects)

경북대 '컴퓨터그래픽스' 강의 백낙훈 교수님의 강의를 듣고 복습하기 위한 게시글입니다.

게시글의 내용은 강의 또는 구글링을 통해 공부하였습니다.

이미지 자료는 출처를 밝히거나 직접 그려 사용하였습니다

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그래픽스 데이터는 어디에 저장되는가? 에서 부터 시작된다.

기존의 C/C++ 프로그램에서는 메인 메모리(RAM)에 저장된다.

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메인 메모리에 있는 data가 data bus를 통해서 GPU로 흘러가야 vertex shader에서 처리된다.

1초에 30~60 frame이 처리되는데 매 frame 마다 이 과정이 진행되는 것이다.

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문제는 똑같은 데이터를 이 루트대로 매번 다시 전달한다.

그래픽 프로그램에서는 위치가 변경되더라도, 사실상 같은 모양을 반복해서 그리는 경우가 많은데

그 데이터를 매번 새로 보내는 건 좋은 아이디어는 아니다.

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GPU 처리를 위한 데이터를 그래픽 카드에 별도의 메모리, VRAM에 저장한다.

이 VRAM으로 훨씬 짧은 거리를 통해 효율적으로 데이터를 주고 받자는 개념이 VBO(Vertex Buffer Object)이다.

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Illustration by 백낙훈 교수님

VBO 를 사용하기 전에는

attribute register에 RAM 에 들어있는 실제 시작 주소를 openGL함수를 통해 연결해서 사용한다.

C/C++ 프로그램에서 자동으로 데이터를 넣어주기 때문에 사용자가 주소(절대 주소)를 함부로 건들지 못한다.

그리고 전체 시스템 메모리에서 0번지가 따로 존재하고

데이터에 접근할 때, 해당 절대 주소를 사용한다.

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Illustration by 백낙훈 교수님

VBO를 사용할 경우에는

attribute register에 VRAM 내의 buffer에 연결한다.

VRAM은 데이터 영역을 알고 있으면 데이터를 어디에 저장할지 직접 control 할 수 있다.

데이터에 접근할 때, 실제 주소로 접근하는게 아닌 해당 offset을 사용하여 접근한다.

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일반적으로 main memory에 있는 array 대신에 buffer를 사용한다. (GL_ARRAY_BUFFER)

이것을 'target'이라고 한다.

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void glGenBuffers(GLsizei n, GLuint* buffers);

* n개의 buffer를 생성하고, 그 ID number를 buffers 배열에 uint 형태로 반환한다.

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void glBindBuffer(GLenum traget, GLuint buffer);

* buffer( 위에서 구한 ID number )를 target인 GL_ARRAY_BUFFER에 결합한다.

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void glBufferData(GLenum target, GLsizeiptr size, const GLvoid* data, GLenum usage);

void glBufferSubData(GLenum target, GLintptr offset, GLsizeiptr size, const GLvoid* data);

* RAM에 있는 data를 VRAM으로 전송한다. id number가 아닌 target이 인자이다.

glBufferData는 buffer 전체, glBufferSubData는 buffer 일부

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glBufferData의 기능은 사실상 2가지인데,

첫번째는 버퍼의 크기를 결정한다. const GLvoid* data에 NULL을 입력하면 된다.

두번째는 버퍼 데이터의 copy이다. const GLvoid* data 메인 메모리의 데이터 영역을 알려주면 해당 주소부터 size만큼 copy한다.

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예시 코드

glm::vec4 vertPos[] = { // 6 * 3 = 18 vertices
...
};

glm::vec4 vertColor[] = { // 6 * 3 = 18 colors
...
};

GLuint vbo[1];

void prepareVBO(void) {
    // 1.
    glGenBuffers(1, vbo);
	// 2.
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
    // 3.
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 2 * 18 * 4 * sizeof(GLfloat), NULL, GL_STATIC_DRAW);
	// 4.
    glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 0, 18 * 4 * sizeof(GLfloat), vertPos);
	// 5.
    glBufferSubData(GL_ARRAY_BUFFER, 18 * 4 * sizeof(GLfloat), 18 * 4 * sizeof(GLfloat), vertColor);
}

1. 1개의 버퍼를 생성하고 그 id number을 vbo 배열에 반환한다.
2. target인 GL_ARRAY_BUFFER에 vbo[0]을 bind 시킨다.
3. 현재 vertPos, vertColor는 float 형 vec4를 각각 18칸 가지고 있다. 그래서 총 sizeof(float) * 4 * 18 * 2 의 size를 같게 된다(크기 지정). 만약 NULL 부분에 NULL 대신에 메인 메모리의 데이터 영역을 알려주면 그 영역부터 size만큼 copy한다. GL_STATIC_DRAW는 대부분 한번 지정된 data를 바꿀 일이 얼마 없으므로 static으로 한다. 반대되는 것은 GL_DYNAMIC_DRAW가 있다.
4. offset 0 부터, 18 * 4 * sizeof(float)만큼 vertPos의 데이터를 가져온다.
5. 앞서 vertPos 데이터를 copy한 영역을 건너뛰고 offset 18 * 4 * sizeof(float)부터 18 * 4 * sizeof(float)만큼 vertColor의 데이터를 가져온다.

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void drawFunc(void) {
    ...
	GLuint locPos = glGetAttribLocation(prog, "aPos");
	glEnableVertexAttribArray(locPos);
    // 1. 
	glVertexAttribPointer(locPos, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (GLvoid*)(0));
	
    GLuint locColor = glGetAttribLocation(prog, "aColor");
	glEnableVertexAttribArray(locColor);
	// 2.
    glVertexAttribPointer(locColor, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (GLvoid*)(18 * 4 * sizeof(GLfloat)));
	
    ...
	glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 18); // 18 vertices
	// done
	glFinish();
}

1. bindbuffer가 되어 있기 때문에 (GLvoid*)(0)을 사용한다.
2. 마찬가지로 앞의 vertPos 데이터를 건너뛰고 (GLvoid*)(18 * 4 * sizeof(GLfloat)) 부터 시작한다.

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offset 은 사실 byte로 숫자로 되어있는데

glVertexAttribPointer() 함수는 원래 포인터 값을 받도록 되어있어서 (GLvoid*)와 같이 포인터로 캐스팅한다.

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vertex에 관계된 정보를 묶어서 만들면 어떻게 쓸 수 있을까

struct vertex{
   glm::vec4 pos; // position
   glm::vec4 color; // color
}

 

 

glm::vec4 vertPosColor[] = { // 6 * 3 = 18 vertices + color
	// face 0: v0-v1-v2, red
	{ 0.0F, 0.5F, 0.0F, 1.0F }, { 1.0F, 0.3F, 0.3F, 1.0F, }, // v0  position, color
	{ 0.5F, -0.3F, 0.0F, 1.0F }, { 1.0F, 0.3F, 0.3F, 1.0F, }, // v1 position, color
	{ 0.0F, -0.3F, -0.5F, 1.0F }, { 1.0F, 0.3F, 0.3F, 1.0F, }, // v2
	...
};

GLuint vbo[1];

void prepareVBO(void) {
	glGenBuffers(1, vbo);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbo[0]);
    // 1.
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, 2 * 18 * 4 * sizeof(GLfloat), vertPosColor, GL_STATIC_DRAW);
}

위 코드와 같이 position 정보와 color 정보가 한 set 형식으로 저장되어있다.

 

 

void drawFunc(void) {
	...
	GLuint locPos = glGetAttribLocation(prog, "aPos");
	glEnableVertexAttribArray(locPos);
    // 1.
	glVertexAttribPointer(locPos, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(0));
	GLuint locColor = glGetAttribLocation(prog, "aColor");
	glEnableVertexAttribArray(locColor);
	// 2.
    glVertexAttribPointer(locColor, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 8 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)(4 * sizeof(GLfloat)));
    ...
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 18); // 18 vertices
	// done
	glFinish();
}

여기서 잠깐 glVertexAttribPoitner 함수를 다시 보면,

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void glVertexAttribPointer(GLuint index, GLint size, Glenum type,

GLboolean normalized, GLsizei stride, const GLvoid* pointer);

* 여기서 stride는 데이터들 사이의 거리를 뜻한다.

어떤 데이터가 있을 때 다음 데이터까지 전진해야되는 byte 단위의 숫자이다.

0을 넣으면 자동 계산되어 일반적으로 하나씩 이동한다.

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이 stride를 조정하여 저장된 데이터에 접근해보자.

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position과 position 정보, color와 color 정보 간의 거리는 4 * sizeof(GLfloat) 이라서

stride 는 4 * 8 bytes 가 된다.

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stride를 잘 조정하여 필요한 정보에 접근할 수 있다.

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IBO 란?

Index Buffer Objects로 VBO와 크게 다를 거 없이

단순히 glDrawElements() 함수를 사용할 때 Index array를 위한 버퍼이다.

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이전 단계는 VBO와 마찬가지로 진행해주고,

Draw는 glDrawElements() 함수를 사용할 때 IBO를 사용한다 했으니 사용해주면 된다.

GLuint vbo[1];
GLuint ibo[1];

void prepareVBO(void) {
	// VBO setting
	glGenBuffers(1, vbo);
    ...
	// IBO setting
	glGenBuffers(1, ibo);
	glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, ibo[0]);
	glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, 18 * sizeof(GLuint), indices, GL_STATIC_DRAW);
}


void drawFunc(void) {
	...
    glVertexAttribPointer(locPos, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (GLvoid*)(0));
	...
    glVertexAttribPointer(locColor, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, (GLvoid*)(5 * 4 * sizeof(GLfloat)));
	...
    
    // draw 
	glDrawElements(GL_TRIANGLES, 18, GL_UNSIGNED_INT, (GLvoid*)(0));
	// done
	glFinish();
}

 

크게 다를 것은 없고,

glBindBuffer, glBufferData 에서 target 인 GL_ARRAY_BUFFER 대신,

GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER로 사용해준다.

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glDrawElements에서 IBO가 연결된 상황이니

(GLvoid*)(0) 은 IBO의 offset 0 에 접근한다.