LearnOpenGL学习笔记—高级OpenGL 10：实例化
LearnOpenGL学习笔记—高级OpenGL 10：实例化
- 1 知识：实例化
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- 1.1 小练习
- 2 小行星带
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- 2.1 实例化小行星带
【项目地址：点击这里这里这里】
本节对应官网学习内容：实例化
1 知识：实例化
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（比如之前的十个立方体模型）。
也比如是充满草的场景：每根草都是一个包含几个三角形的小模型。
如果需要绘制很多根草，最终在每帧中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)，我们很快就会因为绘制调用过多而达到性能瓶颈。
绘制一组顶点本身是很快的，但是使用glDrawArrays或glDrawElements函数告诉GPU去绘制顶点数据的过程会消耗更多的性能。
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）。
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。
这个函数本身并没有什么用。
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，所以我们只能看见一个物体。
出于这个原因，GLSL在顶点着色器中嵌入了另一个内建变量，gl_InstanceID。
在使用实例化渲染调用时，gl_InstanceID会从0开始，在每个实例被渲染时递增1。
比如说，我们正在渲染第43个实例，那么顶点着色器中它的gl_InstanceID将会是42。
因为每个实例都有唯一的ID，我们可以建立一个数组，将ID与位置值对应起来，将每个实例放置在世界的不同位置。
1.1 小练习
为了体验一下实例化绘制，我们将会在标准化设备坐标系中使用一个渲染调用，最终的结果会是一个排列整齐的四边形网格。
每个四边形由2个三角形所组成，一共有6个顶点。每个顶点包含一个2D的标准化设备坐标位置向量和一个颜色向量。 下面就是这个例子使用的顶点数据，为了大量填充屏幕，每个三角形都很小：
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
};
片段着色器会从顶点着色器接受颜色向量，并将其设置为它的颜色输出，来实现四边形的颜色：
const char* fragmentShaderSource =
"#version 330 core \n"
"out vec4 FragColor; \n"
"in vec3 fColor; \n"
"void main(){ \n"
" FragColor = vec4(fColor, 1.0);} \n";
顶点着色器我们设置一个顶点属性接收位置的偏移量
const char* vertexShaderSource =
"#version 330 core \n"
"layout(location = 0) in vec2 aPos; \n"
"layout(location = 1) in vec3 aColor; \n"
"layout (location = 2) in vec2 aOffset; \n"
"out vec3 fColor; \n"
" \n"
"void main() \n"
"{ \n"
" gl_Position = vec4(aPos + aOffset, 0.0, 1.0); \n"
" fColor = aColor; \n"
"} \n";
我们正常设置shader的编译以及位置和颜色的顶点属性
有意思的是偏移量如何设置
这里我们定义了一个叫做offsets的数组，它包含100个偏移向量。
在顶点着色器中，我们会使用顶点属性获取每个实例的偏移向量。
如果我们要实例化绘制100个四边形，仅使用这个顶点着色器我们就能得到100个位于不同位置的四边形。
我们会在进入渲染循环之前使用一个嵌套for循环计算：
//偏移
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;
}
}
获取偏移数组后，我们将其变为实例化数组(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。
使用顶点属性时，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。
而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，而不是每个顶点。
也就是说我们可以做到对逐顶点的数据使用普通的顶点属性，而对逐实例的数据使用实例化数组。
因为实例化数组和position与color变量一样，都是顶点属性，我们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。
对于实例化渲染，我们使用glDrawArraysInstanced或glDrawElementsInstanced。
因为我们使用的不是索引缓冲，我们会调用glDrawArrays版本的函数：
glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 100);
glDrawArraysInstanced的参数和glDrawArrays完全一样，除了最后多了个参数用来设置需要绘制的实例数量。
因为我们想要在10x10网格中显示总共100个五彩的四边形
运行代码得到
以下是完整的代码
#include 为了更有趣一点，我们也可以使用gl_InstanceID，从右上到左下逐渐缩小四边形：
const char* vertexShaderSource =
"#version 330 core \n"
"layout(location = 0) in vec2 aPos; \n"
"layout(location = 1) in vec3 aColor; \n"
"layout (location = 2) in vec2 aOffset; \n"
"out vec3 fColor; \n"
"void main() \n"
"{ \n"
" vec2 pos = aPos * (gl_InstanceID / 100.0); \n"
" gl_Position = vec4(pos + aOffset, 0.0, 1.0); \n"
" fColor = aColor; \n"
"} \n";
得到效果
第一个四边形的实例会非常小，随着绘制实例的增加，gl_InstanceID会越来越接近100，四边形也就越来越接近原始大小。
像这样将实例化数组与gl_InstanceID结合使用是完全可行的。
虽然很有趣，但是这些例子并不是实例化的好例子。
是的，它们的确让我们知道实例化是怎么工作的，但是我们还没接触到它最有用的一点：绘制巨大数量的相似物体。
出于这个原因，我们将会在下一部分进入太空探险，见识实例化渲染真正的威力。
2 小行星带
想象这样一个场景，在宇宙中有一个大的行星，它位于小行星带的中央。
这样的小行星带可能包含成千上万的岩块，在很不错的显卡上也很难完成这样的渲染。
实例化渲染正是适用于这样的场景，因为所有的小行星都可以使用一个模型来表示。
每个小行星可以再使用不同的变换矩阵来进行少许的变化。
为了展示实例化渲染的作用，我们首先会不使用实例化渲染，来渲染小行星绕着行星飞行的场景。
这个场景将会包含一个大的行星模型，它可以在这里下载
以及很多环绕着行星的小行星，小行星的岩石模型可以在这里下载。
为了得到想要的效果，我们将会为每个小行星生成一个变换矩阵，用作它们的模型矩阵。
变换矩阵首先将小行星位移到小行星带中的某处，我们还会加一个小的随机偏移值到这个偏移量上，让这个圆环看起来更自然一点。
接下来，我们应用一个随机的缩放，并且以一个旋转向量为轴进行一个随机的旋转。
最终的变换矩阵不仅能将小行星变换到行星的周围，而且会让它看起来更自然，与其它小行星不同。
最终的结果是一个布满小行星的圆环，其中每一个小行星都与众不同。
我们选择一个好看的宇宙天空盒（点击这里）
我们综合运用之前渲染天空盒，模型加载，以及灯光的知识
为了得到想要的效果，我们将会为每个小行星生成一个变换矩阵，用作它们的模型矩阵。
变换矩阵首先将小行星位移到小行星带中的某处，我们还会加一个小的随机偏移值到这个偏移量上，让这个圆环看起来更自然一点。
接下来，我们应用一个随机的缩放，并且以一个旋转向量为轴进行一个随机的旋转。
最终的变换矩阵不仅能将小行星变换到行星的周围，而且会让它看起来更自然，与其它小行星不同。最终的结果是一个布满小行星的圆环，其中每一个小行星都与众不同。
unsigned int amount = 15000;
glm::mat4 *modelMatrices;
modelMatrices = new glm::mat4[amount];
srand(glfwGetTime()); // 初始化随机种子
float radius = 50.0;
float offset = 2.5f;
for(unsigned int i = 0; i < amount; i++)
{
glm::mat4 model;
// 1. 位移：分布在半径为 'radius' 的圆形上，偏移的范围是 [-offset, offset]
float angle = (float)i / (float)amount * 360.0f;
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; // 让行星带的高度比x和z的宽度要小
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;
}
这段代码看起来可能有点吓人，但我们只是将小行星的x和z位置变换到了一个半径为radius的圆形上，并且在半径的基础上偏移了-offset到offset。
我们让y偏移的影响更小一点，让小行星带更扁平一点。
接下来，我们应用了缩放和旋转变换，并将最终的变换矩阵储存在modelMatrices中，这个数组的大小是amount。这里，我们一共生成15000个模型矩阵，每个小行星一个。
在加载完行星和岩石模型，并编译完着色器之后，渲染的代码结构看起来是这样的：
// 绘制行星
shader.use();
glm::mat4 model;
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);
// 绘制小行星
for(unsigned int i = 0; i < amount; i++)
{
shader.setMat4("model", modelMatrices[i]);
rock.Draw(shader);
}
我们对片段着色器做一些精简
#version 330 core
//着色点和法向
in vec3 FragPos;
in vec3 Normal;
in vec2 TexCoord;
struct Material {
vec3 ambient;
sampler2D diffuse;
sampler2D specular;
sampler2D emission;
float shininess;
};
uniform Material material;
struct LightDirectional{
vec3 dirToLight;
vec3 color;
};
uniform LightDirectional lightD1;
out vec4 FragColor;
uniform vec3 objColor;
uniform vec3 ambientColor;
uniform vec3 cameraPos;
uniform float time;
vec3 CalcLightDirectional(LightDirectional light, vec3 uNormal, vec3 dirToCamera){
//diffuse
float diffIntensity = max(dot(uNormal, light.dirToLight), 0.0);
vec3 diffuseColor = diffIntensity * texture(material.diffuse,TexCoord).rgb * light.color;
//Blinn-Phong specular
vec3 halfwarDir = normalize(light.dirToLight + dirToCamera);
float specularAmount = pow(max(dot(uNormal, halfwarDir), 0.0),material.shininess);
vec3 specularColor = texture(material.specular,TexCoord).rgb * specularAmount * light.color;
vec3 result = diffuseColor+specularColor;
return result;
}
void main(){
vec3 finalResult = vec3(0,0,0);
vec3 uNormal = normalize(Normal);
vec3 dirToCamera = normalize(cameraPos - FragPos);
//ambient
vec3 ambient= ambientColor * texture(material.specular,TexCoord).rgb;
finalResult += CalcLightDirectional(lightD1, uNormal, dirToCamera);
finalResult += ambient;
FragColor=vec4(finalResult,1.0);
//FragColor=vec4(1.0,1.0,1.0,1.0);
}
几何着色器用的我们非常熟悉的代码
#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 aPos; // 位置变量的属性位置值为 0
layout(location = 1) in vec3 aNormal; // 法向量的属性位置值为 1
layout(location = 2) in vec2 aTexCoord; // uv变量的属性位置值为 2
//out vec4 vertexColor;
out vec2 TexCoord;
//着色点和法向
out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;
//uniform mat4 transform;
uniform mat4 modelMat;
layout (std140) uniform Matrices
{
mat4 viewMat;
mat4 projMat;
};
void main(){
gl_Position = projMat * viewMat * modelMat * vec4(aPos.xyz,1.0);
Normal =mat3(transpose(inverse(modelMat)))*aNormal;
FragPos=(modelMat * vec4(aPos.xyz,1.0)).xyz;
//vertexColor = vec4(aColor,1.0);
//TexCoord = aTexCoord;
TexCoord=aTexCoord;
}
以下得到渲染结果图，这个场景每帧包含15001次渲染调用，其中15000个是岩石模型。
这时候我的电脑（MX150+八代i5）场景移动的渲染已经到肉眼可见的卡顿程度了。
以下是渲染的main文件
注意修改模型文件存储的位置信息
#include 2.1 实例化小行星带
现在，我们来尝试使用实例化渲染来渲染相同的场景。
我们首先对顶点着色器进行一点修改，我们把之前用的顶点着色器重命名加个后缀Planet一下放着，专门给中间的行星用
新建一个的顶点着色器
我们不再使用单独uniform变量来存模型矩阵，我们改为一个mat4的顶点属性，存储一个实例化数组的模型矩阵。
然而，当我们顶点属性的类型大于vec4时，就要多进行一步处理了。
顶点属性最大允许的数据大小等于一个vec4。
因为一个mat4本质上是4个vec4，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。
#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 aPos; // 位置变量的属性位置值为 0
layout(location = 1) in vec3 aNormal; // 法向量的属性位置值为 1
layout(location = 2) in vec2 aTexCoord; // uv变量的属性位置值为 2
layout (location = 3) in mat4 instanceMatrix;//实例化数组
//out vec4 vertexColor;
out vec2 TexCoord;
//着色点和法向
out vec3 FragPos;
out vec3 Normal;
//uniform mat4 modelMat;
layout (std140) uniform Matrices
{
mat4 viewMat;
mat4 projMat;
};
void main(){
gl_Position = projMat * viewMat * instanceMatrix * vec4(aPos.xyz,1.0);
Normal =mat3(transpose(inverse(instanceMatrix)))*aNormal;
FragPos=(instanceMatrix * vec4(aPos.xyz,1.0)).xyz;
TexCoord=aTexCoord;
}
接下来，我们需要为这4个顶点属性设置属性指针，并将它们设置为实例化数组
我们把model类的meshes和mesh类的vao都设置成了公有属性，方便访问。
这并不是最好的解决方案，只是为了配合本小节的一个简单的改动。
除此之外代码就应该很清楚了。
我们告诉了OpenGL应该如何解释每个缓冲顶点属性的缓冲，并且告诉它这些顶点属性是实例化数组
unsigned int buffer;
glGenBuffers(1, &buffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, amount * sizeof(glm::mat4), modelMat, GL_STATIC_DRAW);
for (unsigned int i = 0; i < rock.meshes.size(); i++)
{
unsigned int VAO1 = rock.meshes[i].VAO;
glBindVertexArray(VAO1);
// vertex attributes
std::size_t vec4Size = sizeof(glm::vec4);
glEnableVertexAttribArray(3);
glVertexAttribPointer(3, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * vec4Size, (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(4);
glVertexAttribPointer(4, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * vec4Size, (void*)(1 * vec4Size));
glEnableVertexAttribArray(5);
glVertexAttribPointer(5, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * vec4Size, (void*)(2 * vec4Size));
glEnableVertexAttribArray(6);
glVertexAttribPointer(6, 4, GL_FLOAT, GL_FALSE, 4 * vec4Size, (void*)(3 * vec4Size));
glVertexAttribDivisor(3, 1);
glVertexAttribDivisor(4, 1);
glVertexAttribDivisor(5, 1);
glVertexAttribDivisor(6, 1);
glBindVertexArray(0);
}
接下来，我们再次使用mesh的VAO，这一次使用glDrawElementsInstanced进行绘制：
// 绘制小行星
spaceshadr->use();
glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, rock.textures_loaded[0].id);
// 绘制小行星
for (unsigned int i = 0; i < rock.meshes.size(); i++)
{
glBindVertexArray(rock.meshes[i].VAO);
glDrawElementsInstanced(GL_TRIANGLES, rock.meshes[i].indices.size(), GL_UNSIGNED_INT, 0, amount);
glBindVertexArray(0);
}
这里，我们绘制与之前相同数量amount的小行星，但是使用的是实例渲染。结果应该是非常相似的。
我们接下来渲染6万个小行星，半径为150.0f，偏移量等于25.0f，同时投影矩阵远面记得拉远
我们发现帧数还是比较顺滑的，不像之前15000个模型就掉帧卡顿了
以下是用到的main文件，着色器在以上都有提及
#include