OpenGL之uniform block 与UBO

• 原因

目前，我们在着色器中要传递多个uniform变量时，总是使用多个uniform，然后在主程序中设置这些变量的值；如果你的程序中包含了多个着色器，而且这些着色器使用了相同的Uniform变量，你就不得不为每个着色器分别管理这些变量。Uniform变量的location是在程序链接的时候产生的，因此Uniform变量的location会随着着色器的不同而发生变化。因此，这些Uniform变量的数据必须重新产生，然后应用到新的location上。这使我们写的shader会变得非常复杂，当shader中需要很多参数，维护和把这么多参数传给shader将会变得非常的耗费性能和精力。

而Uniform Block可以让uniform变量在不同的着色器程序中实现共用，使不同着色器间共享Uniform数据，有了Uniform Block，我们可以创建一个缓冲区（UBO ）对象来存储这些Uniform变量的值，然后将缓冲区对象绑定到Uniform Block。当着色器程序改变的时候，只需要将同样的缓冲区对像重新绑定到在新的着色器中与之相关的Block即可。

• interface block

interfac block是一组GLSL着色器里面的输入、输出、uniform等变量的集合，有一些类似于C语言中的struct，但是不像struct那样简单明了，还有一些其他的选项包含在里面。通过使用interface block，我们可以将着色器中的变量以组的形式来管理，这样书写更整洁。
interface block的声明形式为：

storage_qualifier block_name
{<define members here>
} instance_name;

其中storage_qualifier指明这个block的存储限定符，限定符可以使用in​, out​, uniform​, 或者buffer（GLSL4.3支持）等，block_name则给定名称，而instance_name给定实例名称。 

例如顶点着色器和片元着色器之间需要传递法向量、纹理坐标等变量，将他们封装到一个block中，代码显得更紧凑。顶点着色器中输出变量定义形式如下：

// 定义输出interface block
out VS_OUT
{vec3 FragPos;vec2 TextCoord;vec3 FragNormal;
}vs_out;

而在片元着色器中，要以相同的block_name接受，实例名称则可以不同，形式可以定义为：

// 定义输入interface block
in VS_OUT
{vec3 FragPos;vec2 TextCoord;vec3 FragNormal;
}fs_in;

如果指定了instance_name，则在片元着色器中引用这些变量时需要加上instance_name前缀，例如： 

   // 环境光成分vec3    ambient = light.ambient * vec3(texture(material.diffuseMap, fs_in.TextCoord));

反之如果没有指定instance_name,则这个block中的变量将和uniform一样是全局的，可以直接使用。如果没有给定instance_name,则需要注意，interface block中给定的变量名不要和uniform给定的重复，否则造成重定义错误，例如下面的定义将造成重定义错误：

uniform MatrixBlock
{mat4 projection;mat4 modelview;
};uniform vec3 modelview;  // 重定义错误 和MatrixBlock中冲突

interface block帮助我们合理组织着色器中的变量。 

• uniform block

就是上面的interface block,使用uniform限定符定义

• UBO（uniform buffer object）是什么

 UBO和VBO类似，用来存uniform数据的一块显存。就是下面代码里的这东西:

    GLuint ubo;glGenBuffers(1, &ubo);glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, ubo);

• UBO如何实现着色器之间共享变量

如何在多个着色器之间简洁的共享变量。uniform buffer的实现思路为： 在多个着色器中定义相同的uniform block，然后将这些相同uniform block绑定到同一个UBO，这样就实现了一个UBO被多个着色器的uniform block共用，这个UBO的数据更新了，就会更新多个着色器中的uniform数据。所谓的共享就是多个uniform block（相同定义）共享同一个UBO数据。

着色器中的uniform block和主程序中的UBO如何连接起来呢？

是通过OpenGL的绑定点(binding points)连接起来的，它们的关系如下图所示：

使用时，每个shader中定义的uniform block有一个索引，通过这个索引连接到OpenGL的绑定点x；而主程序中创建UBO，把这个UBO也连接到绑定点x，此后shader中的uniform block就和OpenGL中的UBO联系起来，我们在程序中操作UBO的数据，就能够在不同着色器之间共享了。例如上图中，着色器A和B定义的Matrices的索引都指向绑定点0，他们共享openGL的uboMatrices这个UBO的数据。同时着色器A的Lights和着色器B的Data，分别指向不同的UBO。

下面通过一个简单例子来熟悉UBO的使用。

Step1: 首先我们在顶点着色器中定义uniform block如下:

   #version 330 core
layout(location = 0) in vec3 position;
layout(location = 1) in vec3 normal;uniform mat4 model; // 因为模型变换矩阵一般不能共享 所以单独列出来// 定义UBO
layout (std140) uniform Matrices
{mat4 projection;mat4 view;
};  // 这里没有定义instance name，则在使用时不需要指定instance namevoid main()
{gl_Position = projection * view * model * vec4(position, 1.0);
}

Step2 在主程序中设置着色器的uniform block索引指向到绑定点0：

   // step1 获取shader中 uniform buffer 的索引GLuint redShaderIndex = glGetUniformBlockIndex(redShader.programId, "Matrices");GLuint greeShaderIndex = glGetUniformBlockIndex(greenShader.programId, "Matrices");...// step2 设置shader中 uniform buffer 的索引到指定绑定点glUniformBlockBinding(redShader.programId, redShaderIndex, 0); // 绑定点为0glUniformBlockBinding(greenShader.programId, greeShaderIndex, 0);...

 Step3: 创建UBO，并绑定到绑定点0

   GLuint UBOId;glGenBuffers(1, &UBOId);glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, UBOId);glBufferData(GL_UNIFORM_BUFFER, 2 * sizeof(glm::mat4), NULL, GL_DYNAMIC_DRAW); // 预分配空间glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);glBindBufferRange(GL_UNIFORM_BUFFER, 0, UBOId, 0, 2 * sizeof(glm::mat4)); // 绑定点为0

Step4: 更新UBO中的数据
这里使用前面介绍的glBufferSubData更新UBO中数据，例如更新视变换矩阵如下： 

glm::mat4 view = camera.getViewMatrix(); // 视变换矩阵
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, UBOId);
glBufferSubData(GL_UNIFORM_BUFFER, sizeof(glm::mat4), sizeof(glm::mat4), glm::value_ptr(view));
glBindBuffer(GL_UNIFORM_BUFFER, 0);

到此结束，关于UBO内存布局会另起一篇文章