重新自学学习openGL 之性能优化实例化

作者: 充满活力的早晨 | 来源:发表于2019-09-17 19:24 被阅读0次

假设我们需要绘制很多模型的场景，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。想象一个充满草的场景：每根草都是一个包含几个三角形的小模型。你可能会需要绘制很多根草，最终在每帧中你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)，你很快就会因为绘制调用过多而达到性能瓶颈。与绘制顶点本身相比，使用glDrawArrays或glDrawElements函数告诉GPU去绘制你的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)。

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。而对于 ios openglES2.0 需要使用glDrawElementsInstancedEXT 和glDrawArraysInstancedEXT .(对openglES2.0 该功能属于扩展功能)。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。

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。我们只能看见一个物体！处于这个原因，GLSL在顶点着色器中嵌入了另一个内建变量，gl_InstanceID。而对于opengles 2.0 该变量是gl_InstanceIDEXT

使用gl_InstanceIDEXT 需要在shader 的头上添加 #extension GL_EXT_draw_instanced : enable

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。

测试demo

绘制5*5 的正方体在屏幕上 ,如下图

正常遍历

#import "DefaultViewController.h"
#import "DefaultBindObject.h"
static float DF_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
};

@interface DefaultViewController ()
@property (nonatomic ,strong) Vertex * vertex ;
@end

@implementation DefaultViewController
static GLKVector2 offsets[25];

-(void)initSubObject{
    [self _setUniformOffsets];
    self.bindObject = [DefaultBindObject new];
}


-(void)loadVertex{
    self.vertex= [Vertex new];
    int vertexNum =6;
    [self.vertex allocVertexNum:vertexNum andEachVertexNum:5];
    for (int i=0; i<vertexNum; i++) {
        float onevertex[5];
        for (int j=0; j<5; j++) {
            onevertex[j]=DF_quadVertices[i*5+j];
        }
        [self.vertex setVertex:onevertex index:i];
    }
    [self.vertex bindBufferWithUsage:GL_STATIC_DRAW];
    [self.vertex enableVertexInVertexAttrib:DF_aPos numberOfCoordinates:2 attribOffset:0];
    [self.vertex enableVertexInVertexAttrib:DF_aColor numberOfCoordinates:3 attribOffset:sizeof(float)*2];

}



-(void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    glClearColor(1, 1, 1, 1);
    
    for (int i=0; i<25; i++) {
         GLKVector2 translation=offsets[i];
        glUniform2fv(self.bindObject->uniforms[DF_uniform_Offset], 1, translation.v);
        [self.vertex drawVertexWithMode:GL_TRIANGLES startVertexIndex:0 numberOfVertices:6];
    }
    
 
}

-(void)_setUniformOffsets{
    int index = 0;
    float offset = 0.2f;
    for(int y = -5; y < 5; y += 2)
    {
        for(int x = -5; x < 5; x += 2)
        {
            GLKVector2 translation;
            translation.x = (float)x / 5.0 + offset;
            translation.y = (float)y / 5.0 + offset;
            offsets[index++] = translation;
        }
    }
}

@end

shader

precision mediump float;

attribute vec2 beginPostion; ///开始位置
attribute vec3 color;

uniform vec2 u_offset;

varying  vec3 vary_color;

void main(){
//    int id = gl_InstanceIDEXT;
//    vec2 offset=offsets[id];
    vec2 temp =u_offset + beginPostion;
    gl_Position =vec4(temp,0.0,1.0);
    vary_color  = color;

}

precision mediump float;
varying  vec3 vary_color;

void main()
{
    gl_FragColor = vec4(vary_color,1.0);
}

实例化demo

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，绘制25个2D四边形。我们会索引一个包含25个偏移向量的uniform数组，将偏移值加到每个实例化的四边形上。
绘制结果也是上图

#import "InstanceIDViewController.h"
#import "InstanceIDBindObject.h"
static float IST_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
};

@interface InstanceIDViewController ()
@property (nonatomic ,strong) Vertex * vertex ;
@end

@implementation InstanceIDViewController
static GLKVector2 IST_offsets[25];

-(void)initSubObject{
    [self _setUniformOffsets];
    self.bindObject = [InstanceIDBindObject new];
}


-(void)loadVertex{
    self.vertex= [Vertex new];
    int vertexNum =6;
    [self.vertex allocVertexNum:vertexNum andEachVertexNum:5];
    for (int i=0; i<vertexNum; i++) {
        float onevertex[5];
        for (int j=0; j<5; j++) {
            onevertex[j]=IST_quadVertices[i*5+j];
        }
        [self.vertex setVertex:onevertex index:i];
    }
    [self.vertex bindBufferWithUsage:GL_STATIC_DRAW];
    [self.vertex enableVertexInVertexAttrib:IST_aPos numberOfCoordinates:2 attribOffset:0];
    [self.vertex enableVertexInVertexAttrib:IST_aColor numberOfCoordinates:3 attribOffset:sizeof(float)*2];

}



-(void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    glClearColor(1, 1, 1, 1);
    for (int i=0; i<25; i++) {
        GLKVector2 translation=IST_offsets[i];
        glUniform2fv(self.bindObject->uniforms[IST_uniform_Offset+i], 1, translation.v);

    }
    [self.vertex drawVertexWithMode:GL_TRIANGLES startVertexIndex:0 numberOfVertices:6 RepeatCount:25];
}

-(void)_setUniformOffsets{
    int index = 0;
    float offset = 0.2f;
    for(int y = -5; y < 5; y += 2)
    {
        for(int x = -5; x < 5; x += 2)
        {
            GLKVector2 translation;
            translation.x = (float)x / 5.0 + offset;
            translation.y = (float)y / 5.0 + offset;
            IST_offsets[index++] = translation;
        }
    }
}


@end

shader

#extension GL_EXT_draw_instanced : enable
precision mediump float;

attribute vec2 a_beginPostion; ///开始位置
attribute vec3 a_color;

uniform vec2 u_offsets[25];
varying  vec3 v_color;

void main(){
    int id = gl_InstanceIDEXT;
    vec2 offset=u_offsets[id];
    vec2 temp =offset + a_beginPostion;
    gl_Position =vec4(temp,0.0,1.0);
    v_color  = a_color;

}

precision mediump float;
varying  vec3 v_color;

void main()
{
    gl_FragColor = vec4(v_color,1.0);
}

虽然上述代码的实现在目前的情况下能够正常工作，但是如果我们要渲染远超过100个实例的时候（这其实非常普遍），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(不超过100个).

Vertex 类drawVertexWithMode: startVertexIndex: numberOfVertices: RepeatCount:的实现

-(void)drawVertexWithMode:(GLenum)mode  startVertexIndex:(GLint)first
         numberOfVertices:(GLsizei)count RepeatCount:(GLsizei)repeatCount {
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,
                 self.vertexBuffers);
    glDrawArraysInstancedEXT(mode, first,count, repeatCount);

}

实例化替代方案

上述代码有瓶颈,因此一个代替方案是实例化数组(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，而不是每个顶点，更新顶点属性的内容了。这允许我们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。


#import "Divisor2ViewController.h"
#import "Divisor2BindObject.h"
static float DV2_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
};

@interface Divisor2ViewController ()
@property (nonatomic ,strong) Vertex * vertex ;

@property (nonatomic ,strong) Vertex * Divisor2 ;
@end

@implementation Divisor2ViewController
static GLKVector2 DV2_offsets[25];

-(void)initSubObject{
    [self _setUniformOffsets];
    self.bindObject = [Divisor2BindObject new];
}


-(void)loadVertex{
    self.vertex= [Vertex new];
    int vertexNum =6;
    [self.vertex allocVertexNum:vertexNum andEachVertexNum:5];
    for (int i=0; i<vertexNum; i++) {
        float onevertex[5];
        for (int j=0; j<5; j++) {
            onevertex[j]=DV2_quadVertices[i*5+j];
        }
        [self.vertex setVertex:onevertex index:i];
    }
    [self.vertex bindBufferWithUsage:GL_STATIC_DRAW];
    [self.vertex enableVertexInVertexAttrib:DV2_aPos numberOfCoordinates:2 attribOffset:0];
    [self.vertex enableVertexInVertexAttrib:DV2_aColor numberOfCoordinates:3 attribOffset:sizeof(float)*2];

    self.Divisor2 = [Vertex new];
    vertexNum=25;
    [self.Divisor2 allocVertexNum:vertexNum andEachVertexNum:2];
    for (int i=0; i<25; i++) {
        [self.Divisor2 setVertex:DV2_offsets[i].v index:i];
    }
    [self.Divisor2 bindBufferWithUsage:GL_STATIC_DRAW];
    [self.Divisor2 enableVertexInVertexAttrib:DV2_aOffset numberOfCoordinates:2 attribOffset:0];
    [self.Divisor2 setVertexDivisor:2 divisor:1];
}



-(void)glkView:(GLKView *)view drawInRect:(CGRect)rect{
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
    glClearColor(1, 1, 1, 1);
    for (int i=0; i<25; i++) {
        GLKVector2 translation=DV2_offsets[i];
        glUniform2fv(self.bindObject->uniforms[DV2_uniform_Offset+i], 1, translation.v);

    }
    [self.vertex drawVertexWithMode:GL_TRIANGLES startVertexIndex:0 numberOfVertices:6 RepeatCount:25];
}

-(void)_setUniformOffsets{
    int index = 0;
    float offset = 0.2f;
    for(int y = -5; y < 5; y += 2)
    {
        for(int x = -5; x < 5; x += 2)
        {
            GLKVector2 translation;
            translation.x = (float)x / 5.0 + offset;
            translation.y = (float)y / 5.0 + offset;
            DV2_offsets[index++] = translation;
        }
    }
}


@end

shader

precision mediump float;

attribute vec2 a_beginPostion; ///开始位置
attribute vec3 a_color;
attribute vec2 a_offset;

varying  vec3 v_color;

void main(){
    
    gl_Position =vec4(a_beginPostion+a_offset,0.0,1.0);
    v_color  = a_color;

}

precision mediump float;
varying  vec3 v_color;

void main()
{
    gl_FragColor = vec4(v_color,1.0);
}

我们不再使用gl_InstanceID，现在不需要索引一个uniform数组就能够直接使用offset属性了。

关键代码是我们实例化一个顶点

self.Divisor2 = [Vertex new];
    vertexNum=25;
    [self.Divisor2 allocVertexNum:vertexNum andEachVertexNum:2];
    for (int i=0; i<25; i++) {
        [self.Divisor2 setVertex:DV2_offsets[i].v index:i];
    }
    [self.Divisor2 bindBufferWithUsage:GL_STATIC_DRAW];
    [self.Divisor2 enableVertexInVertexAttrib:DV2_aOffset numberOfCoordinates:2 attribOffset:0];
    [self.Divisor2 setVertexDivisor:2 divisor:1];

关键代码是self.Divisor2 调用setVertexDivisor: divisor
看起实现

-(void)setVertexDivisor:(GLuint) index  divisor:(GLuint)divisor{
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER,
                 self.vertexBuffers);
    glVertexAttribDivisorEXT(2,1);
}

这些知识点不上很难,只是api的简单实用的简单原理理解. 看demo 就可以了.

参考博客
 OpenGLZeroStudyDemo(16)-高级Opengl-实例化

重新自学学习openGL 之性能优化实例化

测试demo

正常遍历

实例化demo

实例化替代方案

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