LearnOpenGL学习笔记——实例化

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原创最新推荐文章于 2026-04-29 05:20:15 发布 430 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

OpenGL 入门 21：实例化 OpenGL 实例化 阅读详情

实例化

假设你有一个绘制了很多模型的场景，而大部分的模型包含的是同一组顶点数据，只不过进行的是不同的世界空间变换。想象一个充满草的场景：每根草都是一个包含几个三角形的小模型。你可能会需要绘制很多根草，最终在每帧中你可能会需要渲染上千或者上万根草。因为每一根草仅仅是由几个三角形构成，渲染几乎是瞬间完成的，但上千个渲染函数调用却会极大地影响性能。如果我们需要渲染大量物体时，代码看起来会像这样：

	for(unsigned int 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);
	}

如果像这样绘制模型的大量实例(Instance)，你很快就会因为绘制调用过多而达到性能瓶颈。与绘制顶点本身相比，使用glDrawArrays或glDrawElements函数告诉GPU去绘制你的顶点数据会消耗更多的性能，因为OpenGL在绘制顶点数据之前需要做很多准备工作（比如告诉GPU该从哪个缓冲读取数据，从哪寻找顶点属性，而且这些都是在相对缓慢的CPU到GPU总线(CPU to GPU Bus)上进行的）。所以，即便渲染顶点非常快，命令GPU去渲染却未必。如果我们能够将数据一次性发送给GPU，然后使用一个绘制函数让OpenGL利用这些数据绘制多个物体，就会更方便了。这就是实例化(Instancing)。实例化这项技术能够让我们使用一个渲染调用来绘制多个物体，来节省每次绘制物体时CPU -> GPU的通信，它只需要一次即可。如果想使用实例化渲染，我们只需要将glDrawArrays和glDrawElements的渲染调用分别改为glDrawArraysInstanced和glDrawElementsInstanced就可以了。这些渲染函数的实例化版本需要一个额外的参数，叫做实例数量(Instance Count)，它能够设置我们需要渲染的实例个数。这样我们只需要将必须的数据发送到GPU一次，然后使用一次函数调用告诉GPU它应该如何绘制这些实例。GPU将会直接渲染这些实例，而不用不断地与CPU进行通信。

实例化数组

我们要渲染远超过100个实例的时候（这其实非常普遍），我们最终会超过最大能够发送至着色器的uniform数据大小上限。它的一个代替方案是实例化数组(Instanced Array)，它被定义为一个顶点属性（能够让我们储存更多的数据），仅在顶点着色器渲染一个新的实例时才会更新。

	#version 330 core
	layout (location = 0) in vec2 aPos;
	layout (location = 1) in vec3 aColor;
	layout (location = 2) in vec2 aOffset;
	out vec3 fColor;
	void main()
	{
    	gl_Position = vec4(aPos + aOffset, 0.0, 1.0);
    	fColor = aColor;
	}

因为实例化数组和position与color变量一样，都是顶点属性，我们还需要将它的内容存在顶点缓冲对象中，并且配置它的属性指针。我们首先将（上一部分的）translations数组存到一个新的缓冲对象中：

	unsigned int 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);

之后我们还需要设置它的顶点属性指针，并启用顶点属性：

	glEnableVertexAttribArray(2);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO);
	glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(float), (void*)0);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);   
	glVertexAttribDivisor(2, 1);

这段代码很有意思的地方在于最后一行，我们调用了glVertexAttribDivisor。这个函数告诉了OpenGL该什么时候更新顶点属性的内容至新一组数据。它的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我们需要在顶点着色器的每次迭代时更新顶点属性。将它设置为1时，我们告诉OpenGL我们希望在渲染一个新实例的时候更新顶点属性。而设置为2时，我们希望每2个实例更新一次属性，以此类推。我们将属性除数设置为1，是在告诉OpenGL，处于位置值2的顶点属性是一个实例化数组。