OpenGL学习笔记(三十)—— Instancing

实例化

在使用 glDrawArraysglDrawElements 函数绘制顶点数据时,OpenGL 需要告诉 OpenGL 从哪里读取数据以及从哪里找顶点属性,这会非常消耗性能(因为这些操作都是在相对缓慢的 CPUGPU 总线( CPU to GPU Bus )上进行的)。

这就导致一个问题,在绘制一个包含非常多(相同)模型的场景时,代码大致如下:

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for(GLuint i = 0; i < amount_of_models_to_draw; i++)
{
DoSomePreparations(); // 绑定VAO,绑定纹理,设置uniform等
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, amount_of_vertices);
}

这样,即使渲染(如,绘制简单的三角形)是瞬间完成的,但是在如此浩瀚的模型渲染时,更多的性能都消耗在了 CPUGPU 总线上了。实例化就可以很好的解决此类问题。

实例化(Instancing):将数据一次性发送给 GPU,然后使用一个绘制函数(glDrawArraysInstancedglDrawElementsInstanced)让 OpenGL 利用这些数据绘制多个相同的物体。

gl_InstanceID:每个实例都有唯一的 ID,在使用实例化渲染调用时,gl_InstanceID 会从 0 开始,在每个实例被渲染时递增 1

例子,绘制100个2D四边形

  1. 顶点着色器:

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    #version 330 core /* 指定 GLSL 版本3.3,匹配 OpenGL 版本 */
    layout (location = 0) in vec2 aPos; /* 顶点位置变量的属性位置值为:0 */
    layout (location = 1) in vec3 aColor; /* 顶点颜色变量的属性位置值为:1 */
    out vec3 fColor; // 输出,颜色
    uniform vec2 offsets[100]; // 偏移
    void main()
    {
    /* 顶点着色器内建变量:‘gl_InstanceID’
    在使用实例化渲染调用(glDrawArraysInstanced 和 glDrawElementsInstanced)时,
    gl_InstanceID 会从 0 开始,在每个实例被渲染时递增 1 */
    vec2 offset = offsets[gl_InstanceID];
    gl_Position = vec4(aPos + offset, 0.0, 1.0);
    fColor = aColor;
    }
  2. 片段着色器:

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    #version 330 core /* 指定GLSL版本3.3,匹配 OpenGL 版本 */
    in vec3 fColor; /* 输入,颜色值 */
    out vec4 FragColor; /* 输出,指定片段颜色 */
    void main()
    {
    FragColor = vec4(fColor, 1.0);
    }
  3. 偏移量计算并给 uniform 赋值:

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    // 计算 100 个偏移量
    glm::vec2 translations[100];
    GLint index = 0;
    GLfloat offset = 0.1f;
    for(GLint y = -10; y < 10; y += 2)
    {
    for(GLint x = -10; x < 10; x += 2)
    {
    glm::vec2 translation;
    translation.x = (GLfloat)x / 10.0f + offset;
    translation.y = (GLfloat)y / 10.0f + offset;
    translations[index++] = translation;
    }
    }
    // 100 个 uniform 偏移量赋值
    for(GLuint i = 0; i < 100; i++)
    {
    std::stringstream ss;
    std::string index;
    ss << i;
    index = ss.str();
    quadShader.setUniformVec2(("offsets[" + index + "]").c_str(), translations[i]);
    }
  4. 绘制:

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    quadShader.use();
    glBindVertexArray(quadVAO);
    glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 100);

实例化数组

发送至着色器的 uniform 数据大小是有 上限#Implementation_limits) 的。

实例化数组(Instanced Array):定义为一个顶点属性(可以储存更多的数据),切仅在顶点着色器渲染一个新的实例时才会更新,是解决 uniform 数据大小上限的一个代替方案。

使用常规顶点属性时,顶点着色器的每次运行(如,渲染每个顶点)都会让 GLSL 获取新一组适用于当前顶点的属性。而当将顶点属性定义为一个实例化数组时,顶点着色器就只需要对每个实例,而不是每个顶点,更新顶点属性的内容。

例子,绘制100个2D四边形 - 优化

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    #version 330 core /* 指定 GLSL 版本3.3,匹配 OpenGL 版本 */
    layout (location = 0) in vec2 aPos; /* 顶点位置变量的属性位置值为:0 */
    layout (location = 1) in vec3 aColor; /* 顶点颜色变量的属性位置值为:1 */
    layout (location = 2) in vec2 aOffset; /* 顶点偏移量的属性位置值为:2 */
    out vec3 fColor; // 输出,颜色
    void main()
    {
    gl_Position = vec4(aPos + aOffset, 0.0, 1.0);
    fColor = aColor;
    }
  2. 计算偏移并存储实例化数组至顶点缓冲对象:

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    // 计算 100 个偏移量
    glm::vec2 translations[100];
    GLint index = 0;
    GLfloat offset = 0.1f;
    for(GLint y = -10; y < 10; y += 2)
    {
    for(GLint x = -10; x < 10; x += 2)
    {
    glm::vec2 translation;
    translation.x = (GLfloat)x / 10.0f + offset;
    translation.y = (GLfloat)y / 10.0f + offset;
    translations[index++] = translation;
    }
    }
    /* 存储实例化数组至顶点缓存对象 */
    GLuint instanceVBO;
    glGenBuffers(1, &instanceVBO);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(glm::vec2) * 100, &translations[0], GL_STATIC_DRAW);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
  3. 设置实例化数组顶点属性制作,并启用顶点属性:

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    glBindVertexArray(quadVAO);
    glEnableVertexAttribArray(2);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO);
    glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(GLfloat), (void*)0);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
    /* 函数告诉了 OpenGL 该什么时候更新顶点属性的内容至新一组数据
    第一个参数是需要的顶点属性,第二个参数是属性除数(Attribute Divisor):
    默认情况下,属性除数是 0,告诉 OpenGL 在顶点着色器的每次迭代(如,渲染每个顶点)时更新顶点属性。
    将其设置为 1 时,告诉 OpenGL 在渲染一个新实例的时候更新顶点属性。
    将其设置为 2 时,告诉 OpenGL 在每 2 个实例更新一次属性,以此类推。*/
    glVertexAttribDivisor(2, 1);

Demo


参考

教程来源:https://learnopengl.com/

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