OpenGL3.0特性之PBO

周末随心分享 2021-05-15

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背景

在前几次介绍中，周末君都是基于OpenGL2.0提供的功能给大家进行介绍，但是随着对渲染性能要求的逐渐提高，OpenGL也紧跟时代步伐，推出了3.0版本，而3.0里面很多都是对渲染性能的优化，今天就给大家介绍其中一种：Pixel Buffer Object (PBO)

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。

传统方式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
PBO传输方式则是由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
最后用两张图对比一下：

基于上面说的优点，PBO有一个典型的应用就是视频软解，由于它异步传输的特性，在视频软解时就可以在解出一帧数据后通知GPU来取数据，然后CPU马上去解下一帧数据，这样每帧耗时相对传统方式就能减少一半时间

说了这么多PBO优点，那怎么使用它呢？接下来就来实例演示一下PBO如何把一个视频进行离屏渲染并保存！

初始化PBO环境

PBO是OpenGL3.0才引入的特性，因此android minSdkVersion如果小于18，那么你需要下载google提供的gl3stub.c文件，不然编译都通过不了，会一直报错找不到GLESv3，具体可以参考google提供的demo：

https://github.com/googlesamples/android-ndk/tree/master/gles3jni

下载好gl3stub.h和gl3stub.c后把它放到你的工程jni目录下，编译选项加入它们，然后在你的cpp或者c文件内引用它，比如：

#include <GLES2/gl2.h>#include "gl3stub.h"

注意：

这个头文件里面只包含了GLES3.0独有的api，所以你如果还用到了GLES2.0的api，你需要包含gl2.h，这样调用才不会报错
在包含gl3stub头文件后还不能使用3.0特性，如果你认真看gl3stub文件内容你会发现需要手动调用gl3stubInit()这个函数后才能真正开始调用

创建PBO

因为PBO是3.0才有的特性，所以在上面初始化环境后就可以使用PBO了，首先创建两个pbo用于交替使用，至于为什么创建两个后面会逐步介绍：

void initPBO(int width, int height) {    
  glVersion = (const char *) glGetString(GL_VERSION);
  LOGI("opengl version:%s", glVersion);    
  mPboIndex = 0;    
  mPboNewIndex = 1;    
  mInitRecord = true;
  //每个像素包含RGBA四个字节，所以乘于4    
  mPboSize = width * height * 4;    
  LOGI("picture width,height:%d,%d", width, height);    
  glGenBuffers(2, mPboIds);    
  if (mPboIds[0] == 0 || mPboIds[1] == 0) {        
    LOGI("%s", "generate pbo fail");        
    return;    
  }    
  //绑定到第一个PBO    
  glBindBuffer(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, mPboIds[0]);    
  //设置内存大小    
  glBufferData(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, mPboSize, NULL, GL_STATIC_READ);    
  //绑定到第而个PBO    
  glBindBuffer(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, mPboIds[1]);    
  //设置内存大小    
  glBufferData(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, mPboSize, NULL, GL_STATIC_READ);    
  //解除绑定PBO    
  glBindBuffer(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, 0);
}

上面代码比较简单，就是初始化PBO，不过注意的一点是如果是YUV420数据，这边的mPboSize = mWidth * mHeight * 3 2,因为YUV420数据Y大小是width * height，U和V都是1/4 * width * height，加起来的话就是3/2 * width * height

使用PBO进行视频离屏渲染并保存：

在软解过程中，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

1、视频解码并进行渲染

// "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
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);

2、读取渲染后的视频帧数据并保存

// "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);

这边有几点说明一下：

1）首先是为什么使用2个PBO

一个pbo用于存放已经解码的数据，等待GPU来读取，另一个pbo用于准备下一帧数据，这样复制和更新就能同时进行
然后pbo个数为什么是2个而不是3个或4个呢，因为通常情况下CPU读取一帧的时间和GPU处理一帧的时间不会相差太大，所以两个pbo已经足够用了，当然如果CPU处理比较快的情况可以设置多个pbo用于提前存放解码数据

2）如果是YUV数据的话，glReadPixels大小就得改了，如下：

glReadPixels(0, 0, width, height * 3 / 8, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);
3/8怎么来的呢，很简单，之前说过总大小是3/2，总大小 4(RGBA) 就是3/8了，至于为什么是height乘3/8的原因就是像素填充是从左到右，从上到下的，所以要从前往后读，宽度必须填满，高度就是决定实际读多少了。

3）glMapBufferRange的作用就是将OpenGL控制的pbo地址映射到CPU来，所以这个地址是可以直接使用的，不用再调用memcpy来拷贝一遍，不然反而失去了PBO的优势

4）glReadPixels传入的数组必须是malloc或者new创建的，不能是直接声明大小的，比如uint8_t data[size]这种是会出现fault addr错误， new 或者malloc才不会报错

5）这边再强调一下，pbo是针对连续多帧渲染保存这种情况比较有优势，所以一般用于视频的渲染保存，单个pbo或者只读取一两次就不需要使用pbo了，不会提升多大速度

总结

经过上面的初步介绍，小伙伴们应该对PBO有了大概的印象，总的来说PBO优点就是针对视频这种需要快速处理多帧数据情况，传统方式会同步等待，而PBO由于异步DMA特点可以节省将近一半时间，对于离屏渲染来说是极大的优化

好了，周末君关于OpenGL的介绍暂告一段落了，当然OpenGL3.0中还有像VAO、ETC2这种关于性能和内存的优化，后面有机会将会继续介绍，今天的分享就到这了^_^

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