C#の構造体のメモリレイアウトとインターリーブ配列

ポリゴンの描画において、それぞれの頂点は位置や法線、テクスチャ座標など複数の属性を持ちます。それらの頂点配列(VBO)のメモリレイアウトをインターリーブ形式にすることで描画を高速に行うテクニックがあります。

具体的には下記のような配列をGPUに転送します。(コードはOpenTK)

// vboを生成
var vbo = GL.GenBuffer();

// 頂点カラーを持つ頂点
var positionColorVertices = new float[]
{
     // 位置             // 色
     -0.5f, -0.5f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, // 左下
      0.5f, -0.5f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, // 右下
      0.0f,  0.5f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, // 上
};

// 頂点配列に上記のvboをバインド
GL.BindBuffer(BufferTarget.ArrayBuffer, vbo);
// GPUに配列を転送。
GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, 72, positionColorVertices, BufferUsageHint.StaticDraw); 

// positionLocationは事前に計算しているものとする
GL.EnableVertexAttribArray(positionLocation);
GL.VertexAttribPointer(positionLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 32, 0);

// positionLocationは事前に計算しているものとする
GL.EnableVertexAttribArray(colorLocation);
GL.VertexAttribPointer(colorLocation, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 32, 12);

// 3頂点をGL_TRIANGLESで描画
GL.DrawElements(PrimitiveType.Triangles, 0, 3);

ただ、これだと配列のどの要素が位置で、どこが色だっけ... となるので、頂点を構造体の配列で管理したくなります。

// 頂点カラー付き頂点情報の構造体
[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public struct PositionColor
{
    public Vector3 Position;
    public Vector3 Color;

    public PositionColor(Vector3 position, Vector3 color)
    {
        Position = position;
        Color = color;
    }
}

// このように定義すると管理しやすい
var positionColorVerticesWithStruct = new PositionColor[]
{
    new PositionColor(new Vector3(-0.5f, -0.5f, 0.0f), new Vector3(1f, 0f, 0f)),
    new PositionColor(new Vector3( 0.5f, -0.5f, 0.0f), new Vector3(0f, 1f, 0f)),
    new PositionColor(new Vector3( 0.0f,  0.5f, 0.0f), new Vector3(0f, 0f, 1f)),
};

C#の構造体はそれぞれの要素が素直にメモリ上に並びます。なのでこのままBufferDataで転送すれば、GPU上は前述したfloatの配列と同様のメモリアライメントとなり、上記のコードがそのまま動きます。

// GPUに配列を転送。
GL.BufferData(BufferTarget.ArrayBuffer, 72, positionColorVerticesWithStruct, BufferUsageHint.StaticDraw);

ただし、要素が確実に定義順に並ぶように、StructLayoutAttributeでLayoutKind.Sequentialを設定しました。（どの位置にどの要素が来るかを指定しないといけないため。）

Yucchiy's Note

C#の構造体のメモリレイアウトとインターリーブ配列

参考