OPenGL实例化绘制、普通绘制说明

原创 2024-01-01 11:02:30 2.4k 阅读 AI写同款

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荆楚闲人

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OpenGL 入门 21：实例化 OpenGL 实例化 阅读详情

AI摘要

OpenGL实例化渲染是一种优化技术，通过一次性发送数据并使用glDrawArraysInstanced或glDrawElementsInstanced等函数，减少CPU与GPU间的通讯，提升渲染多个物体的效率。利用gl_InstanceID内建变量，可以实现位置、大小等变化的多个实例。此外，通过顶点属性定义的实例化数组（InstancedArray）和glVertexAttribDivisor函数，可以解决uniform数据上限问题，进一步提高性能。文章详细介绍了实例化的概念、工作原理和实现方法。

OpenGL 实例化（Instancing）是一种只调用一次渲染函数就能绘制出不少物体的技术，能够实现将数据一次性而不是多次发送给 GPU ，告诉 OpenGL使用一个绘制函数，将这些数据绘制成多个物体。数组实例化（Instancing）避免了 CPU 屡次向 GPU 下达渲染命令（避免屡次调用 glDrawArrays 或 glDrawElements 等绘制函数），节省了绘制多个物体时 CPU 与 GPU 之间的通讯时间，提高了渲染性能。实例化是因为Verilog等语言里面有实例化，相当于提前定义好的一个模块，在别的模块中可以直接调用（即例化）。OpenGL的实例化与Verilog的例化很像，所以名字叫这个，本质上是对一个模块的多次调用，和批量渲染是一个意思。

//普通渲染
glDrawArrays (GLenum mode, GLint first, GLsizei count);

glDrawElements (GLenum mode, GLsizei count, GLenum type, const void *indices);

//实例化渲染
glDrawArraysInstanced (GLenum mode, GLint first, GLsizei count, GLsizei instancecount);

glDrawElementsInstanced (GLenum mode, GLsizei count, GLenum type, const void *indices, GLsizei instancecount);

相对于普通绘制，实例化绘制多了一个参数instancecount，表示须要渲染的实例数量，调用完实例化绘制函数后，咱们便将绘制数据一次性发送给 GPU，而后告诉它该如何使用一个函数来绘制这些实例。

实例化（Instancing）的目标并非实现将同一物体绘制屡次，而是能基于某一物体绘制出位置、大小、形状或者颜色不一样的多个物体。glDrawArraysInstanced函数内部实现如下：

if ( mode or count is invalid )
        generate appropriate error
    else {
        for (int i = 0; i < primcount ; i++) {
            instanceID = i;
            glDrawArrays(mode, first, count);
        }
        instanceID = 0;
    }

其中上述伪代码中的instanceID就是类似于OpenGL 着色器中有一个与实例化绘制相关的内建变量 gl_InstanceID。gl_InstanceID表示当前正在绘制实例的 ID ，每一个实例对应一个惟一的 ID ，经过这个 ID 能够轻易实现基于一个物体而绘制出位置、大小、形状或者颜色不一样的多个物体（实例）。

利用内建变量gl_InstanceID在 3D 空间绘制多个位于不一样位置的立方体，利用 u_offsets[gl_InstanceID]对当前实例的位置进行偏移，对应的着色器脚本如下：

// vertex shader GLSL
#version 300 es                            
layout(location = 0) in vec4 a_position;   
layout(location = 1) in vec2 a_texCoord;   
out vec2 v_texCoord;                       
uniform mat4 u_MVPMatrix;   
uniform vec3 u_offsets[125];               
void main()                                
{
   //经过 u_offsets[gl_InstanceID] 对当前实例的位置进行偏移                                          
   gl_Position = u_MVPMatrix * (a_position + vec4(u_offsets[gl_InstanceID], 1.0));
   v_texCoord = a_texCoord;                
}   

// fragment shader GLSL
#version 300 es
precision mediump float;
in vec2 v_texCoord;
layout(location = 0) out vec4 outColor;
uniform sampler2D s_TextureMap;
void main()
{
    outColor = texture(s_TextureMap, v_texCoord);
}

在 3D 空间中产生 125 个偏移量（offset）：

glm::vec3 translations[125];
int index = 0;
GLfloat offset = 0.2f;
for(GLint y = -10; y < 10; y += 4)
{
    for(GLint x = -10; x < 10; x += 4)
    {
        for(GLint z = -10; z < 10; z += 4)
        {
            glm::vec3 translation;
            translation.x = (GLfloat)x / 10.0f + offset;
            translation.y = (GLfloat)y / 10.0f + offset;
            translation.z = (GLfloat)z / 10.0f + offset;
            translations[index++] = translation;
        }
    }
}

对偏移量数组进行赋值，而后进行实例化绘制，绘制出 125 个不一样位置的立方体:

glUseProgram(m_ProgramObj);
glBindVertexArray(m_VaoId);

glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureId);
glUniform1i(m_SamplerLoc, 0);

for(GLuint i = 0; i < 125; i++)
{
    stringstream ss;
    string index;
    ss << i;
    index = ss.str();
    GLint location = glGetUniformLocation(m_ProgramObj, ("u_offsets[" + index + "]").c_str())
    glUniform2f(location, translations[i].x, translations[i].y, translations[i].z);
}
glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 36, 125);
glBindVertexArray(0);

利用内建变量 gl_InstanceID和偏移数组进行实例化绘制还存在一个问题，那就是着色器中 uniform 类型数据存在上限（为何存在上限，参考《OpenGL中的Uniform block size 的大小限制》博文），也就是 u_offsets 这个数组的大小有限制，最终致使咱们绘制的实例存在上限。为了避免这个问题，咱们可使用实例化数组(Instanced Array)，它使用顶点属性来定义，这样就容许咱们使用更多的数据，并且仅当顶点着色器渲染一个新实例时它才会被更新。这个时候咱们须要用到函数 glVertexAttribDivisor 。其在官方手册中用法如下：

glVertexAttribDivisor modifies the rate at which generic vertex attributes advance when rendering multiple instances of primitives in a single draw call. If divisor is zero, the attribute at slot index advances once per vertex. If divisor is non-zero, the attribute advances once per divisor instances of the set(s) of vertices being rendered. An attribute is referred to as instanced if its GL_VERTEX_ATTRIB_ARRAY_DIVISOR value is non-zero.

大概的意思是：当单次调用绘制函数渲染多个图元实例时，glVertexAttribDivisor修改了通用顶点属性向前的比例即每次绘制的步长，即是逐顶点还是每隔divisor 个实例渲染一次。如果参数divisor 是0，则glVertexAttribDivisor函数第一个参数index表示的顶点属性每个顶点就执行渲染一次，如果divisor 非0，则参数index表示的顶点属性每隔divisor 实例就渲染一次。这就话的意思说白了就是当divisor 为0时，则每个顶点中参数index表示的顶点属性就渲染一次（逐顶点渲染，以点为单位渲染）；而如果divisor 非0，则每divisor 实例，就渲染一次。例如：一次渲染100个三角形（这里每个三角形就是一个实例），如果divisor为0，则每个三角形都绘制（逐顶点渲染，以点为单位渲染，当然，这还跟硬件的UFO有关，参考《OpenGL中的Uniform block size 的大小限制》）；如果divisor为1，则第0， 1， 2, 3，4,5.....个三角形会被绘制即每个三角形都会被绘制（逐实例渲染，以实例为单位渲染），也就是说每1个三角形才绘制一次（相比前面的divisor为0结果相同，但效率要高很多）；如果divisor为3，则第0， 3， 6, 9，12,15......个三角形会被绘制，而第1,2,4，5,7,8,9,10,11,13,14......不会绘制，直接丢弃，也就是说每隔3个三角形才绘制一次，以此类推。

glVertexAttribDivisor(GLuint index, GLuint divisor)

该函数表示每隔divisor个实例，就会往顶点着色器中传入buffer中的一个新的属性值，其中index为属性在着色器中的位置索引值即下面代码中的location = 0、location = 1、location = 2等。默认的情况下本函数的第二个参数为0，即每次将指定index索引表示的所有属性数据更新到着色器中，比如：一个模型由30万个三角形组成，则这30万个三角形共90万（假设每个三角形不共顶点）个顶点，一次性更新到着色器，这对性能及Uniform block size无疑是一场灾难。当第二个参数为非0值时，如：1，则表示每隔1个三角形即3个顶点下的index索引表示的属性数据载入一次。即先载入更新第0个三角形数据到着色器，处理完后再更新第1个三角形数据到着色器，以此类推，直到全部三角形都处理完。如：2，则表示每隔2个三角形index索引表示的属性数据载入一次。即先载入更新第0个三角形数据到着色器，处理完后再更新第2个三角形数据到着色器，处理完后再更新第4个三角形数据到着色器，丢弃、不处理第1、3.....个三角形的数据，以此类推，直到全部三角形都处理完。

void glVertexAttribDivisor (GLuint index, GLuint divisor);
// index 表示顶点属性的索引
// divisor 表示每 divisor 个实例更新下顶点属性到下个元素，默认为 0

利用顶点属性来定义的实例化数组(Instanced Array) 在 3D 空间绘制多个位于不一样位置的立方体，对应的着色器脚本：

// vertex shader GLSL
#version 300 es                            
layout(location = 0) in vec4 a_position;   
layout(location = 1) in vec2 a_texCoord;  
layout(location = 2) in vec2 a_offset;
out vec2 v_texCoord;                       
uniform mat4 u_MVPMatrix;   
void main()                                
{
   gl_Position = u_MVPMatrix * (a_position + vec4(a_offset, 1.0));
   v_texCoord = a_texCoord;                
}   

// fragment shader GLSL
#version 300 es
precision mediump float;
in vec2 v_texCoord;
layout(location = 0) out vec4 outColor;
uniform sampler2D s_TextureMap;
void main()
{
    outColor = texture(s_TextureMap, v_texCoord);
}

设置 VAO 和 VBO :

// Generate VBO Ids and load the VBOs with data
glGenBuffers(2, m_VboIds);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[0]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[1]);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(glm::vec3) * 125, &translations[0], GL_STATIC_DRAW);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

// Generate VAO Id
glGenVertexArrays(1, &m_VaoId);

glBindVertexArray(m_VaoId);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[0]);
glEnableVertexAttribArray(0);
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(GLfloat), (const void *) 0);
glEnableVertexAttribArray(1);
glVertexAttribPointer(1, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(GLfloat), (const void *) (3* sizeof(GLfloat)));
glEnableVertexAttribArray(2);

//利用顶点属性来定义的实例化数组(Instanced Array)
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, m_VboIds[1]);
glEnableVertexAttribArray(2);
glVertexAttribPointer(2, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(GLfloat), (GLvoid*)0);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);
//指定 index=2 的属性为实例化数组，1 表示每绘制一个实例，更新一次数组中的元素
glVertexAttribDivisor(2, 1); // Tell OpenGL this is an instanced vertex attribute.
glBindVertexArray(GL_NONE);

其中glVertexAttribDivisor(2, 1);是上述最重要的一步，用于指定 index = 2 的属性为实例化数组，1 表示每绘制一个实例，更新一次数组中的元素。利用顶点属性来定义的实例化数组，而后绘制出 125 个不一样位置的立方体:

glUseProgram(m_ProgramObj);
glBindVertexArray(m_VaoId);

glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_TextureId);
glUniform1i(m_SamplerLoc, 0);

glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 36, 125);
glBindVertexArray(0);

另外《实例化》这篇文章也深刻阐述了实例化。

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