【OpenGL】23-实例化

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【中文版】实例化

【英文版】Instancing

学习记录

  在这篇文章中，我们来介绍一个用于绘制大量模型物体的技术：实例化（Instancing）

  是否还记得我们在 高级 GLSL 这一篇文章中，我们绘制的四个正方体模型：

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//绘制第一个模型
someShader1.use();
someShader1.setMat4("projection", projection);
someShader1.setMat4("view", camera.GetViewMatrix());
someShader1.setMat4("model", model1);
glBindVertexArray(vertexArrayObject);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
//绘制第二个模型
someShader2.use();
someShader2.setMat4("projection", projection);
someShader2.setMat4("view", camera.GetViewMatrix());
someShader2.setMat4("model", model2);
glBindVertexArray(vertexArrayObject);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
//绘制第三个模型
someShader3.use();
someShader3.setMat4("projection", projection);
someShader3.setMat4("view", camera.GetViewMatrix());
someShader3.setMat4("model", model3);
glBindVertexArray(vertexArrayObject);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);
//绘制第四个模型
someShader4.use();
someShader4.setMat4("projection", projection);
someShader4.setMat4("view", camera.GetViewMatrix());
someShader4.setMat4("model", model4);
glBindVertexArray(vertexArrayObject);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
glBindVertexArray(0);

  刚开始我们需要一个一个的传入 MVP ，然后一个一个的绘制，代码冗余不说效率也不高。之后我们使用 UBO （Uniform Buffer Object）优化了代码：

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glBindVertexArray(vertexArrayObject);

glslShader1.use();
glslShader1.setMat4("model", model1);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

glslShader2.use();
glslShader2.setMat4("model", model2);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

glslShader3.use();
glslShader3.setMat4("model", model3);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

glslShader4.use();
glslShader4.setMat4("model", model4);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

glBindVertexArray(0);

  代码变成了这样，但我们仍然是调用多个绘制函数，如果我们的 Shader 再一样的话，那么应该是这样：

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glBindVertexArray(vertexArrayObject);

glslShader.use();

glslShader.setMat4("model", model1);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

glslShader.setMat4("model", model2);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

glslShader.setMat4("model", model3);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

glslShader.setMat4("model", model4);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);

glBindVertexArray(0);

  亦或者使用 for 循环：

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glBindVertexArray(vertexArrayObject);
glslShader.use();
for (const auto& model : models) {
	glslShader.setMat4("model", model);
	glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 36);
}
glBindVertexArray(0);

  这样再多的模型我们也只需要在 models 容器里添加 model 就可以了，代码的冗余似乎解决了，但是效率并没有提高。与绘制顶点本身相比，使用 glDrawArrays 或 glDrawElements 函数告诉 GPU 去绘制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）。通过实例化技术，我们可以快速的绘制出大量的同类模型。

  用了这么大的篇幅去介绍为什么使用实例化技术，那么这个究竟如何使用呢？

  在渲染多个相同的物体时，我们需要提供他的位置（否则在一个位置渲染再多的相同物体都是没有意义的），首先我们在顶点着色器里定义位置数组。

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uniform vec3 positions[40];

  我们定义了一个大小为 40 的位置索引，这时候我们需要用提供的当前渲染的物体的索引来选择相应的位置，索性 GLSL 给我们定义了这么一个内建变量：gl_InstanceID 。

Name

gl_InstanceID — contains the index of the current primitive in an instanced draw command

Description

​ gl_InstanceID is a vertex language input variable that holds the integer index of the current primitive in an instanced draw command such as glDrawArraysInstanced. If the current primitive does not originate from an instanced draw command, the value of gl_InstanceID is zero.

  gl_InstanceID 给了我们当前所渲染的物体的 ID，从 0 开始，跟随我们渲染的物体数而自增。所以在顶点着色器代码中，使用 gl_InstanceID 索引位置数组，并加到 gl_Position 上。

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gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos + positions[gl_InstanceID] , 1.0f);

  此时我们的顶点着色器应该是这个样子：

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#version 420 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;

uniform mat4 model;
uniform vec3 positions[40];

layout (std140) uniform VP{
	mat4 projection;
	mat4 view;
};

void main(){
	gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos + positions[gl_InstanceID] , 1.0f);
	gl_PointSize = abs(aPos.z) * 20;
};

  着色器的代码完了，现在我们需要在 OpenGL 代码中为着色器的 positions[] 变量赋值，首先我们创建一个 positions 数组：

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std::vector<glm::vec3> positions(0);

for (float i = 1; i < 10.0; i++) {
	positions.push_back(glm::vec3(3.0f, 3.0f, 0.0f) * i);
	positions.push_back(glm::vec3(-3.0f, -3.0f, 0.0f) * i);
	positions.push_back(glm::vec3(3.0f, -3.0f, 0.0f) * i);
	positions.push_back(glm::vec3(-3.0f, 3.0f, 0.0f) * i);
}

  之后，我们在调用 shader.use() 之后，我们为着色器变量写值：

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glslShader.use();
for (auto i = 0; i < positions.size(); ++i) {
	glslShader.setVec3("positions[" + std::to_string(i) + "]", positions[i]);
}
glslShader.setMat4("model", model);

  最后，我们调用实例化 Draw 方法：glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 36, 40); ，请注意我们最后一个参数是要渲染的物体数量。效果如下：

intancing

  如果你没有成功，请看这里：源代码

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