OpenGL深入探索——像素缓冲区对象 （PBO）

时间：2022-02-09 05:00:15

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wiki解释


概述


OpenGL ARB_pixel_buffer_object 扩展与ARB_vertex_buffer_object.很相似。为了缓冲区对象不仅能存储顶点数据，还能存储像素数据，它简单地扩展了 ARB_vertex_buffer_object extension。储存像素数据的缓冲区对象称为Pixel Buffer Object (PBO)。ARB_pixel_buffer_object extension借鉴了VBO所有的框架和API，而且还多了两个"Target" 标签。这俩Target协助PBO储存管理器(OpenGL驱动)决定缓冲区对象的最佳位置： 系统内存、共享内存、显卡内存。Target标志指明其上绑定的PBO的两种不同的用途： GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB ——传递像素数据到PBO中，以及 GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB ——从PBO中传回数据。

例如，glReadPixels()和glGetTexImage()是"pack"像素操作， glDrawPixels(), glTexImage2D() ，glTexSubImage2D() 是"unpack" 操作。当一个PBO绑定的Target为GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB时, glReadPixels()是从OpenGL的帧缓冲区（FBO）读取像素数据，并将数据写(pack)入PBO中。当一个PBO绑定的Target为GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB时,glDrawPixels()是从PBO读取(unpack)像素数据并复制到OpenGL帧缓冲区（FBO）中。

PBO的主要优点是可以通过DMA (Direct Memory Access) 快速地在显卡上传递像素数据，而不影响CPU的时钟周期（中断）。另一个优势是它还具备异步DMA传输。让我们对比使用PBO前后的纹理传送方法。左侧图是从图像文件或视频中加载纹理。首先，资源被加载到系统内存（Client）中，然后使用glTexImage2D()函数从系统内存复制到OpenGL纹理对象中(Client->Server)。这两次数据传输(加载和复制)完全由CPU执行。


OpenGL深入探索——像素缓冲区对象 （PBO）

不使用PBO的纹理加载

OpenGL深入探索——像素缓冲区对象 （PBO）

使用PBO的纹理加载

和上图相反，原图像可以直接加载到PBO中，而PBO是由OpenGL控制的。虽然CPU有参与加载纹理到PBO，但不涉及将像素数据从PBO传输到纹理对象的工作，而是由GPU(OpenGL驱动)来负责PBO到纹理对象的数据传输的，这也就意味着OpenGL执行DMA传输操作不会占用CPU的时钟周期。此外，OpenGL还可以安排稍后执行的异步DMA传输。所以glTexImage2D()可以立即返回，CPU也无需等待像素数据的传输了，可以继续其他工作。


主要有两种优化像素数据传输性能的PBO方法：

1. streaming texture update 

2.asynchronous read-back from the framebuffer.


创建PBO

以前说到，Pixel Buffer Object使用VBO的所有API。不同的是多了两个针对PBO的额外标志：GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB和GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB. GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB 从OpenGL传送像素数据到你的程序中， GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB 将像素数据从程序传送到OpenGL中。OpenGL使用这些标志来决定PBO最佳的内存位置。例如，上传纹理数据到FBO(unpack)时，使用显卡内存。读帧缓冲区（FBO）时，使用系统内存。OpenGL 驱动会参照target标志来决定PBO所在的内存位置。

创建一个PBO需要三个步骤:

1使用glGenBuffersARB()新建一个缓冲区对象
2使用glBindBufferARB()绑定一个缓冲区对象
3使用glBufferDataARB复制像素信息到缓冲区对象

如果让glBufferDataARB的数据源数组接收的指针为空指针，那么PBO仅分配数据的大小的内存空间。glBufferDataARB方法最后一个参数对PBO具有指导作用，它告诉PBO如何使用些缓冲区对象。 GL_STREAM_DRAW_ARB  (unpack)是 streaming texture upload 。 GL_STREAM_READ_ARB (pack)是异步的帧缓冲区read-back。
更多细节，参见 VBO。

PBO映射

PBO提供了一种内存映射机制，可以映射OpenGL控制的缓冲区对象到客户端的内存地址空间中。客户端可以使用glMapBufferARB(), glUnmapBufferARB()函数修改全部或部分缓冲区对象。 
void* glMapBufferARB(GLenum target, GLenum access)
GLboolean glUnmapBufferARB(GLenum target)



glMapBufferARB()返回一个指向缓冲区对象的指针，如果成功返回此指针，否则返回NULL。Target参数是GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB 或GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB。第二个参数，指定映射的缓冲区的访问方式：从PBO中读数据(GL_READ_ONLY_ARB)，写数据到PBO中(GL_WRITE_ONLY_ARB) 或读写PBO(GL_READ_WRITE_ARB)。

注意如果GPU仍使用此缓冲区对象，glMapBufferARB()不会返回，直到GPU完成了对相应缓冲区对象的操作。为了避免等待，在使用glMapBufferARB之前，使用glBufferDataARB，并传入参数NULL。然后，OpenGL将废弃旧的缓冲区，为缓冲区分配新的内存。


 缓冲区对象必须取消映射,可使用glUnmapBufferARB()。如果成功，glUnmapBufferARB()返回GL_TRUE 否则返回GL_FALSE。

例子:Streaming Texture Uploads

例子：两个PBO的Streaming texture上传

源码下载:  pboUnpack.zip.
这个例子使用PBO，上传(uppack)streaming textures到OpenGL texture object.你可以通过空格键切换不同的传送模式：单个PBO，两个PBOs ，无PBO)，并对比它们之间效率的差异。

在PBO模式下，每一帧都直接将源纹理写入映射的像素缓冲区（PBO）。然后，这些纹理数据使用glTexSubImage2D()函数，从PBO传送到纹理对象中。使用PBO，OpenGL可以在PBO和纹理对象之间执行异步DMA传输。这显著提高了纹理上传的性能。如果显卡支持异步的DMA操作，glTexSubImage2D()会立即返回。CPU无需等待纹理拷贝，便可以做其它事情

OpenGL深入探索——像素缓冲区对象 （PBO）

可以使用多个PBO来尽可能提升streaming传输性能。 图中表示同时使用两个PBO：glTexSubImage2D()从一个PBO中读取数据，同时将源纹理写入到另一个PBO当中。

第n帧，PBO1正被glTexSubImage2D()函数使用。而PBO2用于读取新的纹理。在第n+1帧时，2个PBO交换角色，并继续更新纹理。因为DMA传输的异步性，更新和复制可被同时执行。CPU将新纹理更新到一个PBO中，同时GPU从另一个PBO中复制纹理。

// "index" 用于从PBO中拷贝像素数据至texture object
// "nextIndex" 用于更新另一个PBO中的像素数据
index = (index + 1) % 2;
nextIndex = (index + 1) % 2;

// 绑定纹理
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, textureId);
// 绑定PBO
glBindBufferARB(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB, pboIds[index]);
// 从PBO中拷贝像素数据至texture object
// 使用offset替代ponter.glTexSubImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0, WIDTH, HEIGHT,GL_BGRA, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);
// 绑定另一个PBO，用texture source对它进行更新glBindBufferARB(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB, pboIds[nextIndex]);
// 注意：glMapBufferARB()会引起同步问题// 如果GPU正在使用这块buffer, glMapBufferARB()将会等待
// 直到GPU完成操作. 为了避免等待，你可以先调用
// glBufferDataARB() ，并传入NULL指针， 然后再调用glMapBufferARB()。
// 如果按照上面的方法调用的话, PBO之前存储的数据将会被丢弃，并且
// glMapBufferARB() 将会立即返回一个新分配的指针，
// 即使GPU仍然在使用之前的数据
glBufferDataARB(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB, DATA_SIZE, 0, GL_STREAM_DRAW_ARB);
// 映射buffer object（PBO）到客户端内存
GLubyte* ptr = (GLubyte*)glMapBufferARB(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB,GL_WRITE_ONLY_ARB);
if(ptr){ 
  // 直接更新映射的buffer 
  updatePixels(ptr, DATA_SIZE); 
  glUnmapBufferARB(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB); 
  // release the mapped buffer
}
// 在使用完PBO以后，通过ID 0 来释放PBO
// 一旦绑定到0，所有的像素操作都将被重置
glBindBufferARB(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER_ARB, 0);


例子：异步Read-back

下载源码： pboPack.zip. 这个例子从帧缓冲区(左侧图)读取像素数据到PBO中，之后在右侧窗体中画出来，并修改图像的亮度。你可以按空格键打开或关闭PBO，来测试glReadPixels()函数的性能差异。传统的glReadPixels()阻塞渲染管线，直到所有的像素传输完毕。然后，它把控制权交给程序。使用PBO的glReadPixels()可使用异步DMA传输，立即返回，无需等待。因此程序(CPU)可执行其它操作，当GPU传输数据时。 OpenGL深入探索——像素缓冲区对象 （PBO）Asynchronous glReadPixels() with 2 PBOs此例子使用2个PBO。在第n帧时，程序使用glReadPixels()从OpenGL读取像素信息到PBO1中，在PBO2 中处理像素数据。读数据和处理数据是同时进行的。因为glReadPixels()在PBO1上立即返回，CPU可以在PBO2中处理数据而没有延迟。我们可以在每一帧中交换PBO1和PBO2。 
// "index" 用于从FBO中读取像素到PBO
// "nextIndex" 用于更新另一个PBO中的像素
index = (index + 1) % 2;
nextIndex = (index + 1) % 2;

// 设置读取的目标framebuffer
glReadBuffer(GL_FRONT);

// 从FBO中读取像素至PBO
// glReadPixels()将会立刻返回
glBindBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB, pboIds[index]);
glReadPixels(0, 0, WIDTH, HEIGHT, GL_BGRA, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);

// 映射PBO到客户端，并通过CPU处理其数据
glBindBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB, pboIds[nextIndex]);
GLubyte* ptr = (GLubyte*)glMapBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB,
GL_READ_ONLY_ARB);
if(ptr)
{
  processPixels(ptr, ...);
  glUnmapBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB);
}

// 重置PBO的像素操作
glBindBufferARB(GL_PIXEL_PACK_BUFFER_ARB, 0);


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