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OpenGL学习笔记（三十）—— Instancing

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实例化

在使用 glDrawArrays 或 glDrawElements 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 CPU 到 GPU 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 CPU 到 GPU 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（glDrawArraysInstanced 或 glDrawElementsInstanced）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 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

  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 */
    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/。