LearnOpenGL-高级OpenGL-10.实例化
本人初学者，文中定有代码、术语等错误，欢迎指正
文章目录
- 实例化
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- 例子1.1：100个2D四边形使用Uniform
- 实例化数组
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- 例子1.2：100个2D四边形使用实例化数组
- 例子2.1：行星带不使用实例化数组
- 例子2.2：行星带使用实例化数组
实例化
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引出
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假设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，比如：草
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渲染上千上万个草，渲染函数调用会极大地影响性能
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); } -
性能消耗的地方
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）。
即便渲染顶点非常快，命令GPU去渲染却未必。
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什么是实例化
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解决上述的性能消耗的地方
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。这就是实例化
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进一步解释
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。
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使用什么函数
将glDrawArrays和glDrawElements的渲染调用分别改为glDrawArraysInstanced和glDrawElementsInstanced
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GLSL有内建变量：gl_InstanceID
渲染同一个物体一千次对我们并没有什么用处，每个物体都是完全相同的，而且还在同一个位置。
利用gl_InstanceID可以标识每个实例，可以用此gl_InstanceID对应专属的uniform变换矩阵，从而变换当前渲染的物体（改变位置、大小等）。
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例子1.1：100个2D四边形使用Uniform
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思路
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glsl的顶点着色器
定义uniform数组，每个渲染的实例quad：根据gl_InstanceID当做uniform数组的下标得到当前渲染的实例的变换位置
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cpp
- 定义quad的顶点输入数据
- 定义顶点缓冲数组、绑定顶点缓冲对象、指定好顶点属性布局
- 生成偏移位置数组，并用uniform上传给glsl
- 绘制时使用glDrawArraysInstanced，将同一个quad数据渲染100次
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代码
#version 330 core layout (location = 0) in vec2 aPos; layout (location = 1) in vec3 aColor; out vec3 fColor; uniform vec2 offsets[100]; void main() { // gl_InstanceID当前绘制实例的ID，作为offsets的下标 vec2 offset = offsets[gl_InstanceID]; gl_Position = vec4(aPos + offset, 0.0, 1.0); fColor = aColor; }#version 330 core out vec4 FragColor; in vec3 fColor; void main(){ FragColor = vec4(fColor, 1.0); }cpp
float quadVertices[] = { // 位置，二维 // 颜色 -0.05f, 0.05f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.05f, -0.05f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, -0.05f, -0.05f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, -0.05f, 0.05f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.05f, -0.05f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.05f, 0.05f, 0.0f, 1.0f, 1.0f }; // quad VAO unsigned int quadVAO, quadVBO; glGenVertexArrays(1, &quadVAO); glGenBuffers(1, &quadVBO); glBindVertexArray(quadVAO); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, quadVBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(quadVertices), &quadVertices, GL_STATIC_DRAW); glEnableVertexAttribArray(0); glVertexAttribPointer(0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(1); glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)(2 * sizeof(float))); // 生成偏移位置数组 glm::vec2 translations[100]; int index = 0; float offset = 0.1f; for (int y = -10; y < 10; y += 2) { for (int x = -10; x < 10; x += 2) { glm::vec2 translation; translation.x = (float)x / 10.0f + offset; translation.y = (float)y / 10.0f + offset; translations[index++] = translation; } } // 注意这里：上传位置给glsl，只能一个一个传/// shader.use(); for (unsigned int i = 0; i < 100; i++) { shader.setVec2(("offsets[" + to_string(i) + "]").c_str(), translations[i]); } // render loop while (!glfwWindowShouldClose(window)) { // quad glBindVertexArray(quadVAO); // 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 // 注意:第三个参数，设置需要绘制的实例数量// glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 100);-
重点
glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 100);，将quad实例渲染100次
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效果
实例化数组
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引出
由上的实例化例子，使用uniform传递变换数据，但是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。
从而需要使用实例化数组，即不使用uniform。
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什么是实例化数组
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实例化数组它被定义为一个顶点属性(可以用缓冲存储)，仅在顶点着色器渲染一个新的实例（可设置为两个或三个等）时才会更新。
既然是顶点属性，则有对应的顶点缓冲对象，附加到顶点数组时需指定顶点属性布局
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重点
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原本的顶点属性，比如：位置、法线、颜色，都是在顶点着色器的每次运行都会让GLSL获取新一组适用于当前顶点的属性。
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详细说明
注意：是当前顶点，比如：一个quad有位置和颜色信息，它有6个顶点（两个三角形组成），需运行6次顶点着色器，每一次运行顶点着色器渲染当前顶点，都需更新当前顶点的属性。
一个实例6个顶点运行6次顶点着色器、每次都得更新顶点的属性。
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当我们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更新顶点属性的内容。
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详细说明
注意：是当前实例，比如：一个quad有一个变换信息，即使它有6个顶点，需运行6次顶点着色器，但当每一次运行顶点着色器渲染当前顶点的变换信息是同一个，只需渲染完6个顶点即为一个实例时，才需要更新顶点属性的内容。
一个实例6个顶点运行6次顶点着色器、6次后才更新顶点的属性。
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例子1.2：100个2D四边形使用实例化数组
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思路
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glsl的顶点着色器
获取每个实例的实例化数组的顶点属性
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cpp
- 将实例化数组（位置变换数据）当做顶点属性
- 定义顶点数组，指定quad的顶点属性布局
- 指定实例化数组（位置变换数据）的顶点属性布局，并指定对应顶点属性（顶点位置、颜色什么的）渲染几个实例时更新一次。
- 绘制时使用glDrawArraysInstanced，将同一个quad数据渲染100次
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代码
glsl
#version 330 core layout (location = 0) in vec2 aPos; layout (location = 1) in vec3 aColor; layout (location = 2) in vec2 aOffset;// 实例化数组（位置变换数据）它被定义为一个顶点属性 out vec3 fColor; void main() { // quad的大小逐渐变大，从0.01到1 vec2 pos = aPos * (gl_InstanceID / 100.0); gl_Position = vec4(pos + aOffset, 0.0, 1.0); fColor = aColor; }cpp
// uniform数组，偏移位置 glm::vec2 translations[100]; int index = 0; float offset = 0.1f; for (int y = -10; y < 10; y += 2) { for (int x = -10; x < 10; x += 2) { glm::vec2 translation; // 控制在 -1，1之间 translation.x = (float)x / 10.0f + offset; translation.y = (float)y / 10.0f + offset; translations[index++] = translation; } } // 用顶点缓冲对象存储 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); float quadVertices[] = { // 位置 // 颜色 -0.05f, 0.05f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.05f, -0.05f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, -0.05f, -0.05f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, -0.05f, 0.05f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.05f, -0.05f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.05f, 0.05f, 0.0f, 1.0f, 1.0f }; // quad VAO unsigned int quadVAO, quadVBO; glGenVertexArrays(1, &quadVAO); glGenBuffers(1, &quadVBO); glBindVertexArray(quadVAO); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, quadVBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(quadVertices), &quadVertices, GL_STATIC_DRAW); glEnableVertexAttribArray(0); glVertexAttribPointer(0, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(1); glVertexAttribPointer(1, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 5 * sizeof(float), (void*)(2 * sizeof(float))); // 重点：设置layout=2的属性，aOffset，实例化数组// glEnableVertexAttribArray(2); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO); glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(float), (void*)0); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0); // 设置顶点layout=2布局的属性是，每1个实例更新一次属性// glVertexAttribDivisor(2, 1); // 解绑 glBindVertexArray(0); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0); // 记得绑定shader，即使没有数据上传给uniform shader.use(); // render loop // ----------- while (!glfwWindowShouldClose(window)) { // quad glBindVertexArray(quadVAO); // 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 // 注意第三个参数，设置需要绘制的实例数量 glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 100); glBindVertexArray(0);可以看到没有使用uniform，而是用顶点属性
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glVertexAttribDivisor(2,1)
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第一个参数：对应glsl的layout=2，指向的aOffset
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第二个参数：
0：在顶点着色器的每次迭代时更新顶点属性，默认的
1：渲染一个新实例的时候更新顶点属性
2：每2个实例更新一次属性
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效果
例子2.1：行星带不使用实例化数组
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说明
行星周围的石头都有自己的变换矩阵model，每渲染一个石头时，上传自己的变换矩阵model给glsl的uniform，所以实际上是使用uniform来变换每个石头的位置，而没有用glDrawArraysInstanced或者glDrawElementsInstanced函数来用上述的实例化。
很大的原因是因为石头是obj模型，之前声明的mesh与model类封装了渲染函数，不好变动。
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代码
glsl
#version 330 core layout (location = 0) in vec3 aPos; layout (location = 2) in vec2 aTexCoords; out vec2 TexCoords; uniform mat4 model; uniform mat4 view; uniform mat4 projection; void main() { TexCoords = aTexCoords; gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0); }#version 330 core out vec4 FragColor; in vec2 TexCoords; uniform sampler2D texture_diffuse1; void main(){ FragColor = texture(texture_diffuse1, TexCoords); }cpp
// 加载模型 Model rock(FileSystem::getPath("assest/model/rock/rock.obj")); Model planet(FileSystem::getPath("assest/model/planet/planet.obj")); // model数组，石头的偏移位置 unsigned int amount = 1000; glm::mat4* modelMatrices; modelMatrices = new glm::mat4[amount]; srand(glfwGetTime());// 初始化随机种子 float radius = 50.0f; float offset = 2.5f; for (unsigned int i = 0; i < amount; i++) { glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f); // 角度，0-360度 float angle = (float)i / (float)amount * 360.0f; // 1. 位移：分布在半径为 radius 的圆形上，偏移范围是[-0ffset, offset] // rand()范围为0~RAND_MAX, 700 % 500 = 200 / 100 = 2 - 2.5 = -0.5 float displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset; float x = sin(angle) * radius + displacement; displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset; float y = displacement * 0.4f; displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset; float z = cos(angle) * radius + displacement; model = glm::translate(model, glm::vec3(x, y, z)); // 2.缩放：在0.05和0.25f之间缩放 float scale = (rand() % 20) / 100.0f + 0.05; model = glm::scale(model, glm::vec3(scale)); // 3.旋转：绕着一个(半)随机选择的旋转轴向量进行随机的旋转 float rotAngle = (rand() % 360); model = glm::rotate(model, rotAngle, glm::vec3(0.4f, 0.6f, 0.8f)); // 4. 添加到矩阵的数组中 modelMatrices[i] = model; } // render loop // ----------- while (!glfwWindowShouldClose(window)) { // 摄像机 glm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 0.1f, 1000.0f); glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix(); shader.use(); shader.setMat4("projection", projection); shader.setMat4("view", view); // 绘画行星 glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f); model = glm::translate(model, glm::vec3(0.0f, -3.0f, 0.0f)); model = glm::scale(model, glm::vec3(4.0f, 4.0f, 4.0f)); shader.setMat4("model", model); planet.Draw(shader); // 绘画石头 for (unsigned int i = 0; i < amount; i++) { // 设置偏移 shader.setMat4("model", modelMatrices[i]); rock.Draw(shader); } -
效果
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缺点
由代码可见，渲染石头是用for循环+上传uniform，当要渲染的石头数量增加，即for循环的次数增加，调用uniform的次数会变多，而调用uniform的次数会影响性能，
当amount=10000时，可以感到明显的卡顿（根据自己的机器配置，amount太大会感到卡顿）
例子2.2：行星带使用实例化数组
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说明
不使用原本model类封装的draw函数，而是获取mesh的顶点缓冲数组再调用实例化函数glDrawElementsInstanced。
这样我们就可以将每个实例的变换矩阵（实例化数组）当做顶点属性
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代码
glsl
#version 330 core layout (location = 0) in vec3 aPos; layout (location = 2) in vec2 aTexCoords; layout (location = 3) in mat4 instanceMatrix;// 实例化数组（位置变换数据）它被定义为一个顶点属性 out vec2 TexCoords; uniform mat4 view; uniform mat4 projection; void main() { TexCoords = aTexCoords; gl_Position = projection * view * instanceMatrix* vec4(aPos, 1.0); }#version 330 core out vec4 FragColor; in vec2 TexCoords; uniform sampler2D texture_diffuse1; void main(){ FragColor = texture(texture_diffuse1, TexCoords); }cpp
Shader planetshader("assest/shader/4高级OpenGL/6.10.3.渲染大量物体-行星带-无实例化.vs", "assest/shader/4高级OpenGL/6.10.3.渲染大量物体-行星带-无实例化.fs"); Shader rockshader("assest/shader/4高级OpenGL/6.10.4.渲染大量物体-行星带-实例化数组.vs", "assest/shader/4高级OpenGL/6.10.4.渲染大量物体-行星带-实例化数组.fs"); // 加载模型 Model planet(FileSystem::getPath("assest/model/planet/planet.obj")); Model rock(FileSystem::getPath("assest/model/rock/rock.obj")); // model数组，石头的偏移位置 unsigned int amount = 100000; glm::mat4* modelMatrices; modelMatrices = new glm::mat4[amount]; srand(static_cast<unsigned int>(glfwGetTime()));// 初始化随机种子 float radius = 150.0f; float offset = 25.0f; for (unsigned int i = 0; i < amount; i++) { glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f); // 角度，0-360度 float angle = (float)i / (float)amount * 360.0f; // 1. 位移：分布在半径为 radius 的圆形上，偏移范围是[-0ffset, offset] // rand()范围为0~RAND_MAX, 700 % 500 = 200 / 100 = 2 - 2.5 = -0.5 float displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset; float x = sin(angle) * radius + displacement; displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset; float y = displacement * 0.4f; displacement = (rand() % (int)(2 * offset * 100)) / 100.0f - offset; float z = cos(angle) * radius + displacement; model = glm::translate(model, glm::vec3(x, y, z)); // 2.缩放：在0.05和0.25f之间缩放 float scale = (rand() % 20) / 100.0f + 0.05; model = glm::scale(model, glm::vec3(scale)); // 3.旋转：绕着一个(半)随机选择的旋转轴向量进行随机的旋转 float rotAngle = (rand() % 360); model = glm::rotate(model, rotAngle, glm::vec3(0.4f, 0.6f, 0.8f)); // 4. 添加到矩阵的数组中 modelMatrices[i] = model; } // 关键代码-开始/// // 设置给rock的model，实例化数组当做顶点属性，需要指定顶点属性布局 unsigned int buffer; glGenBuffers(1, &buffer); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer); // 注意这里将数组绑定到缓冲中 glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, amount * sizeof(glm::mat4), &modelMatrices[0], GL_STATIC_DRAW); for (unsigned int i = 0; i < rock.meshes.size(); i++) {// rock.meshes.size() = 1 unsigned int VAO = rock.meshes[i].VAO; glBindVertexArray(VAO); // 设置mat4的顶点属性指针 glEnableVertexAttribArray(3); glVertexAttribPointer(3, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(glm::mat4), (void*)0); glEnableVertexAttribArray(4); glVertexAttribPointer(4, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(glm::mat4), (void*)(sizeof(glm::vec4))); glEnableVertexAttribArray(5); glVertexAttribPointer(5, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(glm::mat4), (void*)(2 * sizeof(glm::vec4))); glEnableVertexAttribArray(6); glVertexAttribPointer(6, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, sizeof(glm::mat4), (void*)(3 * sizeof(glm::vec4))); // layout=3矩阵的instanceMatrix顶点属性，每1个实例更新一次属性 glVertexAttribDivisor(3, 1); glVertexAttribDivisor(4, 1); glVertexAttribDivisor(5, 1); glVertexAttribDivisor(6, 1); glBindVertexArray(0); } // 关键代码-结束/// // render loop // ----------- while (!glfwWindowShouldClose(window)) { // per-frame time logic // -------------------- float currentFrame = static_cast<float>(glfwGetTime()); deltaTime = currentFrame - lastFrame; lastFrame = currentFrame; // input // ----- processInput(window); // render // ------ glClearColor(0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); // 摄像机 glm::mat4 projection = glm::perspective(glm::radians(45.0f), (float)SCR_WIDTH / (float)SCR_HEIGHT, 0.1f, 1000.0f); glm::mat4 view = camera.GetViewMatrix(); rockshader.use(); rockshader.setMat4("projection", projection); rockshader.setMat4("view", view); planetshader.use(); planetshader.setMat4("projection", projection); planetshader.setMat4("view", view); // 绘画行星 planetshader.use(); glm::mat4 model = glm::mat4(1.0f); model = glm::translate(model, glm::vec3(0.0f, -3.0f, 0.0f)); model = glm::scale(model, glm::vec3(4.0f, 4.0f, 4.0f)); planetshader.setMat4("model", model); planet.Draw(planetshader); // 绘画石头 rockshader.use(); // 绑定纹理单元 rockshader.setInt("texture_diffuse1", 0); glActiveTexture(GL_TEXTURE0); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, rock.textures_loaded[0].id);; for (unsigned int i = 0; i < rock.meshes.size(); i++) { glBindVertexArray(rock.meshes[i].VAO); // 注意第5个参数，设置需要绘制的实例数量 glDrawElementsInstanced(GL_TRIANGLES, rock.meshes[i].indices.size(), GL_UNSIGNED_INT, 0, amount); glBindVertexArray(0); }-
当矩阵当做顶点属性时
由于顶点属性的类型只能是小于等于vec4大小，而mat4本质上是4个vec4，所以我们需要为这个矩阵预留4个顶点属性。
因为我们将它的位置值设置为3，矩阵每一列的顶点属性位置值就是3、4、5和6。
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效果
100000个石头