Inside Geometry Instancing（下）

Inside Geometry Instancing（下）

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由于本人水平有限，难免出错，不清楚的地方请大家以原著为准。也欢迎大家和我多多交流。

其中部分图片来自网络，尽量保证了和原书中插图一致。

特别感谢mtt重现了文章中的流程图^_^

翻译：clayman

Blog：http://blog.youkuaiyun.com/soilwork

clayman_joe@yahoo.com.cn

 

 

3.3.3 Vertex Constants Instancing

         在vertex constants instancing方法中，我们利用顶点常量来储存实体属性。就渲染性能而言，顶点常量批次是非常快的，同时支持实体位置的移动，但这些特点都是以牺牲可控性为代价的。

         以下是这种方法主要的限制：

l          根据常理数值的大小，每批次的实体数量是受限制的；通常对一次方法调用来说，批次中不会超过50到100个实体。但是，这足以满足减少CPU调用绘图函数的负载。

l          不支持skinning；顶点常量全部用于储存实体属性了

l          需要支持vertex shaders的硬件

首先，需要准备一块静态的顶点缓冲（同样包括索引缓冲）来储存同一几何包的多个副本，每个副本都以模型坐标空间保存，并且对应批次中的一个实体。

必须更新最初的顶点格式，为每个顶点添加一个整数索引值。对每个实体来说，这个值将是一个常量，标志了特定几何包属于哪个实体。这和palette skinning有些类似，每个顶点都包含了一个索引，指向将会影响他的一个或多个骨骼。

更新之后的顶点格式如下：

Stuct InstanceVertex

{

         D3DVECTOR3  mPosition;

         //other properties……

         WORD     mInstanceIndex[4];  //Direct3D requires SHORT4

};

在所有实体数据都添加到几何批次之后，Commit()方法将按照正确的设计，准备好顶点缓冲。

接下来就是为每个需要渲染的实体加载属性。我们假设属性只包括描述实体位置和朝向的模型矩阵，以及实体颜色。

对于支持DirectX9系列的GPU来说，最多能使用256个顶点常量：我们使用其中的200个来保存实体属性。在我们所举的例子中，每个实体需要4个常量储存模型矩阵，1个常量储存颜色，这样每个实体需要5个常量，因此每批次最多包含40个实体。

以下是Update()方法。实际的实体将在vertex shader进行处理。

D3DVECTOR4  instancesData[MAX_NUMBER_OF_CONSTANTS];

unsigned int count = 0;

for(unsigned int i=0; i<GetInstancesCount(); ++i)

{

         //write model matrix

instancesData[count++] = *(D3DXVECTOR4*) & mInstances[i].mModeMatrix.m11;

instancesData[count++] = *(D3DXVECTOR4*) & mInstances[i].mModelMatrix.m21;

instancesData[count++] = *(D3DXVECTOR4*) & mInstances[i].mModelMatrix.m31;

instancesData[count++] = *(D3DXVECTOR4*) & mInstances[i].mModelMatrix.m41;

//write instance color

instaceData[count++] = ConverColorToVec4(mInstances[i].mColor);

         }

         lpDevice->SetVertexConstants(INSTANCES_DATA_FIRST_CONSTANT, instancesData, count);

         下面是vertex shader：

         //vertex input declaration

         struct vsInput

         {

                   float4 postion : POSITON;

                   float3 normal : NORMAL;

                   //other vertex data

                   int4 instance_index : BLENDINDICES;

         };

 

         vsOutput VertexConstantsInstancingVS( in vsInput input)

         {

                   //get the instance index; the index is premultiplied by 5 to take account of the number of constants used by each instance

                   int instanceIndex = ((int[4])(input.instance_index))[0];

                   //access each row of the instance model matrix

                   float 4 m 0 = InstanceData[instanceIndex + 0];

                   float 4 m 1 = InstanceData[instanceIndex + 1];

                   float 4 m2 = InstanceData[instanceIndex + 2];

                   float 4 m3 = InstanceData[instanceIndex + 3];

                   //construct the model matrix

                   float4x4 modelMatrix = {m0, m1, m2, m3}

                   //get the instance color

                   float instanceColor = InstanceData[instanceIndex + 4];

                   //transform input position and normal to world space with the instance model matrix

                   float4 worldPostion = mul(input.position, modelMatrix);

                   float3 worldNormal = mul(input.normal, modelMatrix;

                   //output posion, normal and color

                   output.position = mul(worldPostion, ViewProjectionMatrix);

                   output.normal = mul(worldPostion,ViewProjectionMatrix);

                   output.color = instanceColor;

                   //output other vertex data

         }

         Render()方法设置观察和投影矩阵，并且调用一次DrawIndexedPrimitive()方法提交所有实体。

         实际代码中，可以把模型空间的旋转部分储存为一个四元数（quaternion）,从而节约2个常量，把最大实体数增加到70左右。之后，在vertex shader中重新构造矩阵，当然，这也增加了编码的复杂度和执行时间。

 

3.3.4 Batching with the Geometry Instancing API

         最后介绍的一种方法就是在DirectX9中引入的，完全可由Geforce 6系列GPU硬件实现的几何实体API批次。随着原来越多的硬件支持几何实体API，这项技术将变的更加有趣，它只需要占用非常少的内存，另外也不需要太多CPU的干涉。它唯一的缺点就是只能处理来自同一几何包的实体。

         DirectX9提供了以下函数来访问几何实体API：

         HRESULT SetStreamSourceFreq( UINT StreamNumber, UINT FrequencyParameter);

         StreamNumber是目标数据流的索引，FrequencyParameter表示每个顶点包含的实体数量。

         我们首先创建2快顶点缓冲：一块静态缓冲，用来储存将被多次实体化的单一几何包；一块动态缓冲，用来储存实体数据。两个数据流如下图所示：

         Commit()必须保证所有几何体都使用了同一几何包，并且把几何体的信息复制到静态缓冲中。

         Update()只需简单的把所有实体属性复制到动态缓冲中。虽然它和动态批次中的Update()方法很类似，但是却最小化了CPU的干涉和图形总线（AGP或者PCI－E）带宽。此外，我们可以分配一块足够大的顶点缓冲，来满足所有实体属性的需求，而不必担心显存消耗，因为每个实体属性只会占用整个几何包内存消耗的一小部分。

         Render()方法使用正确流频率（stream frequency）设置好两个流，之后调用DrawIndexedPrimitive()方法渲染同一批次中的所有实体，其代码如下：

         unsigned int instancesCount = GetInstancesCount();

         //set u stream source frequency for the first stream to render instancesCount instances

         //D3DSTREAMSOURCE_INDEXEDDATA tell Direct3D we’ll use indexed geometry for instancing

         lpDevice->SetStreamSourceFreq(0, D3DSTREAMSOURCE_INDEXEDDATA | instancesCount);

         //set up first stream source with the vertex buffer containing geometry for the geometry packet

         lpDevice->setStreamSource(0, mGeometryInstancingVB[0], 0, mGeometryPacketDeck);

         //set up stream source frequency for the second stream; each set of instance attributes describes one instance to be rendered

         lpDevice->SetstreamSouceFreq(1, D3DSTREAMSOURCE_INDEXEDDATA | 1);

         // set up second stream source with the vertex buffer containing all instances’ attributes

         pd3dDevice->SetStreamSource(1, mGeometryInstancingVB[0], 0, mInstancesDataVertexDecl);

         GPU通过虚拟复制（virtually duplicating）把顶点从第一个流打包到第二个流中。vertex shader的输入参数包括顶点在模型空间下的位置，以及额外的用来把模型矩阵变换到世界空间下的实体属性。代码如下：

         // vertex input declaration

         struct vsInput

         {

                   //stream 0

                   float4 position : POSITION;

                   float3 normal  : NORMAL;

                   //stream 1

                   float4 model_matrix0   :  TEXCOORD0;

                   float4 model_matrix1   :  TEXCOORD1;

float4 model_matrix2   :  TEXCOORD2;

float4 model_matrix3   :  TEXCOORD3;

 

float4 instance_color    :  D3DCOLOR;

         };

 

         vsOutput geometryInstancingVS(in vsInput input)

         {

                   //construct the model matrix

                   float4x4 modelMatrix =

                   {

                            input.model_matrix0,

                            input.model_matrix1,

                            input.model_matrix2,

                            input.model_matrix3,

                   }

                   //transform inut position and normal to world space with the instance model matrix

                   float4 worldPosition = mul(input.position, modelMatrix);

                   float3 worldNormal = mul(input.normal,modelMatrix);

                   //output positon, normal ,and color

                   output.positon = mul(worldPostion,ViewProjectionMatrix);

                   output.normal = mul(worldNormal,ViewProjectionMatrix);

                   output.color = int.instance_color;

                   //output other vertex data…..

         }

         由于最小化了CPU负载和内存占用，这种技术能高效的渲染同一几何体的大量副本，因此，也是游戏中理想的解决方案。当然，它的缺点在于需要硬件功能的支持，此外，也不能轻易实现skinning。

         如果需要实现skinning，可以尝试把所有实体的所有骨骼信息储存为一张纹理，之后为相应的实体选择正确的骨骼，这需要用到Shader Model3.0中的顶点纹理访问功能。如果使用这种技术，那么访问顶点纹理带来的性能消耗是不确定的，应该实现进行测试。

 

3．4 结论

         本文描述了几何实体的概念，并且描述了4中不同的技术，来达到高效渲染同一几何体多次的目的。每一种技术都有有点和缺点，没有哪种单一的方法能完美解决游戏场景中可能遇到的问题。应该根据应用程序的类型和渲染的物体种类来选择相应的方法。

         一下是一些场景中建议使用的方法：

l          对于包含了同一几何体大量静态实体的室内场景，由于他们很少移动，静态批次是最好的选择。

l          包含了大量动画实体的户外场景，比如包含了数百战士的即时战略游戏，动态批次也许是最好的选择。

l          包含了大量蔬菜和树木的户外场景，通常需要对他们的属性进行修改（比如实现随风而动的效果），以及一些粒子系统，几何批次API也许就是最好的选择。

通常，同一应用程序会用到两个以上的方法。这种情况下，使用一个抽象的几何批次接口隐藏具体实现，能让引擎更容易进行模块化和管理。这样，对整个程序来说，几何实体化的实现工作也能减少很多。

（图中，静态的建筑使用了静态批次，而树则使用了几何实体API）

点击这里可以下载完整的PDF文档，完整的demo大家可以参考NVIDIA SDK中的示例Instancing，也可以直接在这里下载。另外也可参考DirectX SDK中的示例Instancing。