OpenGL ES 2.0のvec4配列でUBOもどきを作る際の注意点

OpenGL ES 3.0ではUBOやVAOのような現状のハードウェアで効率的に動作するAPIが使えるようになります。しかし、開発者はモダンなAPIへの対応作業を迫られる一方、ES 2.0もサポートし続けなければいけません。https://developer.android.com/about/dashboards/index.html にもあるように未だに65%のデバイスはOpenGL ES 2.0であり、この状況は当分続きそうです。

「じゃあES2.0だけでいいや」では時代遅れになるので、ES2.0でもモダンなフリをしながら両バージョンでコードを共有する方法を模索してみます。

複数のuniform変数を配列化してひとつに

http://on-demand.gputechconf.com/gtc/2013/presentations/S3032-Advanced-Scenegraph-Rendering-Pipeline.pdf の24ページ目でuniform block(UBO)を使えない場合に、複数のuniformを配列にまとめて使う方法が提案されています。これは効率的であるのみならず、C側では構造体で転送するデータを管理できるので、UBOを使ったES 3.0のコードとのアーキテクチャの差を吸収できそうです。

https://devtalk.nvidia.com/default/topic/777618/scenix/announcing-nvpro-pipeline-a-research-rendering-pipeline/ この掲示板に動画もありますね。

mat4かvec4かfloatか

複数のuniformをまとめる際、どのような型の配列として渡すか決めなければなりません。行列だけのバッファならmat4の配列、色やベクトルだけならvec4配列にします。

mat4とvec4の混合のバッファを作りたい場合もあるかもしれません。そういうときはvec4の配列とするとよさそうです。mat4配列でもよいのですがバッファサイズがfloat16個単位になってしまうので柔軟性に欠けるからです。次のようにしてGLSL側でvec4を４つまとめてmat4を復元します。

	uniform vec4 uniformBuffer[9];
	void main() {
	mat4 matV = mat4(uniformBuffer[0], uniformBuffer[1], uniformBuffer[2], uniformBuffer[3]);
	mat4 matP = mat4(uniformBuffer[4], uniformBuffer[5], uniformBuffer[6], uniformBuffer[7]);
	float etc1 = uniformBuffer[8].x;
	float etc2 = uniformBuffer[8].y;
	float etc3 = uniformBuffer[8].z;
	}

view raw make_mat4_from_vec4.glsl hosted with ❤ by GitHub

	struct UniformBuffer
	{
	Mat matP, matV;
	float etc1, etc2, etc3, padding;
	};
	static UniformBuffer buf;
	void Write()
	{
	glUniform4fv(glGetUniformLocation(shaderId, "uniformBuffer"), sizeof(buf) / (sizeof(GLfloat) * 4), (GLfloat*)&buf);
	}

view raw write_uniform_into_vec4s.cpp hosted with ❤ by GitHub

ならば、vec4配列よりfloat配列のほうが柔軟そうですが、float４つを１単位とする癖をつけたほうが良いかもしれません。以下のポストはDirectX11のもので、NVIDIAによるものなので他のGPU全てに当てはまるかはわかりませんが、float４つ単位にしなかった場合の速度低下の可能性を示唆しています。

https://developer.nvidia.com/content/understanding-structured-buffer-performance

UBOとuniform vec4配列の違い

上のように、ES3.0のUBOのようなものをES 2.0で実現してみましたが、同一ではありません。UBOはシェーダから独立したバッファで、複数シェーダで共有可能です。uniformはシェーダの一部であってC側から書き換え可能な変数です。あるuniform vec4配列を複数のシェーダ間で共有したい場合、シェーダを切り替える度にglUniform4fvでバッファを転送してあげなければなりません。

OpenGL ES特有のprecisionの問題

ES特有のつまづきそうなポイントです。uniformはシェーダ間で共有できませんが、同じprogramに属するvertex shaderとfragment shaderに限って同じ名前のuniform変数を宣言すると共有されます。しかし、precisionが違うと共有できません（glLinkProgramでエラーになります）。vertex shaderではhighp、fragment shaderではmediump、のような使い方をすることが多いと思うので注意します。(fragment shaderでhighpがエラーになる機種もある）