乱弹纪录III:Geometry Instancing
发表于2016-08-10
Geometry Instancing（几何体实例化），是一种用于大批量重复物件渲染的GPU技术，以降低客户端和显卡端数据传输量，所谓的“一次提交，多次渲染”。在OpenGL 3.x下的Instancing技术已经是作为核心，本文也大致地记录一下自己最近使用时的一些思维片段罢。——ZwqXin.com
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不由得想起当年的CityDreamSnow，在那个Demo中，“涉世未深”的我是这样绘制封闭街道两旁的建筑群的：四种手工建筑，按一定顺序和错落关系列于两侧，整个场景中，每种建筑都大概有4、5个吧——而且几乎都是一样的（可以回想的不同之处大概除了位置、旋转和缩放度外，还有配色和一些动画的随机控时之类）。对于每种建筑，大概是这样绘制的：
C++代码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | for(int i = 0; i < NUM; ++i) { topColor = nTopCol[rand() % COLCOUNT]; .... glPushMatrix(); glTranslate(...); glRotate(..., 0, 1, 0); glScale(..); DrawArchitecture(topColor, stripColor, startTick,...); glPopMatrix(); } |
把一次DrawCall作为一个Batch，这样做相当于我们在本地客户端（我们的程序所在）向显卡（OpenGL的“服务端”）连续传输同一份顶点数据共NUM次，这NUM个Batch不同之处仅在于一些顶点属性(attribute)之类的。对于更大的建筑群，或者说广阔的草簇群、NPC群，这样的NUM可能就是成千上万之巨了。显卡不会对这种重复数据多次传输做优化，所以内存和GPU的数据传输负载随着DrawCall的调用次数增多而增大，当程序的效率更多地损失在数据传输上之时，就造成了渲染瓶颈，FPS惨不忍睹。
Geometry Instancing技术就是为了这样的场合而产生的。这时候，我们可以只调用一次DrawCall，把该份顶点数据（VBO所维护的）传输到显卡，并告诉显卡需要绘制多少次（或者说，执行多少次Vertex Shader）。这就是Insatncing所谓的“一次提交，多次渲染”。对于OpenGL来说，这样的操作只需要简单地调用Draw函数的Intanced版本就可以了：
1 2 3 | void glDrawArraysInstanced(GLenum mode, GLint first, GLsizei count GLsizei primcount); void glDrawElementsInstanced(GLenum mode, GLsizei count, GLenum type, const void *indicies, GLsizei primcount); |
调用该函数后，对于传入流水线的每个顶点，其Vertex Shader会执行primcount次（当然包括后面的对应的流水线阶段了，都是执行primcount次），每一次就作为一次实例化，亦即一个Instance。在Vertex Shader或者Geometry Shader（[乱弹纪录I:Geometry Shader] ）里，可以使用gl_InstanceID这个attribute变量来获悉当前的Shader是该DrawCall的第几次执行（当前处理的是第几个Instance）。慢着！这样说的话，Instanced版本的Draw函数下，所有顶点的所有Instance都用同一个Vertex Shader，同一套流水线操作，那岂不最终的结果就是一模一样的？！这primcount个物件岂不完全重叠在一起？
恩。当然咯。
那么我们以前是怎样做的呢？多个DrawCall下，我们可以在DrawCall之前设置好该DrawCall的所有属性。考虑一个简单的情况：让各个物件的位置各不相同，那就在调用DrawCall前传入不同的模型矩阵作为Vertex Shader的uniform。那在Geometry Instancing下，我们只有一个DrawCall，怎样做到上述的效果呢？
我们还有另一种方法向Vertex Shader输入数据：Attribute变量。我们可以把模型矩阵作为顶点的attribute变量，那么每个顶点就有它的一份模型矩阵了。等等，你说这有啥用？是的，这本身没啥改变：因为我们需要的是该顶点的每个Instance有不同的模型矩阵，反而是同一个Instance的所有顶点的模型矩阵都应该是相同的。这里要说的是，我们可以对每个Instance做同样的事情——我们可以把模型矩阵作为顶点的attribute变量，让每个实例(Instance)有它的一份模型矩阵。
C++代码 （OpenGL Instanced VAO Attribute Setup）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | glGenVertexArrays(1, &m_nFloorVAO); glBindVertexArray(m_nFloorVAO); //...... glGenBuffers(1, &nFloorLVBO); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, nFloorLVBO); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, floorLocations.size() * sizeof(ZWVector3), floorLocations.data(), GL_STATIC_DRAW); glEnableVertexAttribArray(FLOOR_ATTRIB); glVertexAttribPointer(FLOOR_ATTRIB, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, NULL); glVertexAttribDivisor(FLOOR_ATTRIB, 1); |
C++代码
1 2 3 4 5 6 | std::vector for (int i = 0; i < m_nInstanceCount; ++i) { floorLocations.push_back(..floorLocation[i]); } |
glVertexAttribDivisor第一个参数也还是attribute location，第二个参数指明当前的数据（floorLocations）是每多少个Instance变更一次。这里1的意思是每一个Instance（实例）变更一次，所以渲染时第一个Instance的vertex shader中的FLOOR_ATTRIB对应的attribute都将全是floorLocations[0]这个数据，第二个Insatnce则是对应floorLocations[1]这个数据……第m_nInstanceCount个Instance则是对应floorLocations[m_nInstanceCount - 1]这个数据：
C++代码 （OpenGL Instanced VAO Attribute Render）
1 2 3 | glBindVertexArray(m_nFloorVAO); glDrawElementsInstanced(GL_TRIANGLES, 6, GL_UNSIGNED_SHORT, NULL, m_nInstanceCount); |
这就是我们需要的。接下来就是在Vertex Shader里根据该attribute去构建模型矩阵，把顶点移到floorLocations[i]指定的位置了。无论是变换矩阵、配色还是其他任何特定于各个Instance的特性，都可以通过这种方法去实现。回到开头的那段代码，应用Geometry Instancing的话：
这里只有一个DrawCall，而且所有实例Attribute都用VAO存储好。渲染的时候就简单很多了，“一次提交，多次渲染”。
再谈到Geometry Shader的缺点，其中一个就是对于CPU端的视锥体剔除（在渲染前设立条件，视锥体外的物体都不渲染）。因为只有一个DrawCall，你将无法根据预先判断把不在视锥体内的Insatnce剔除渲染阵列——所有流水线操作都将执行，这样对于大场景的大批量渲染的场景管理策略失效，会造成效率的负向影响，甚至Geometry Instancing这应用也得不偿失了。
C++代码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 | //Setup VAO glGenVAO(..., m_nVAO); glBindVAO(..., m_nVAO); glGenVBO(...); glBindVBO(...); glBufferData(...InstanceData...); glEnableVertexAttrib(...); glVertexAttribPointer(..); glVertexAttribDivisor(.., 1); //.....and so on for every instance property //and Vertex Data VBO glBindVAO(..., NULL); //// //Render glBindVAO(..., m_nVAO); DrawArchitecture(..., NUM); |
再提一下，glVertexAttribDivisor的第二个参数，如果是2的话，那就是每两个Instance变更一次instance attribute……如此类推。那如果是0呢？那就是跟以前一样，数据“退化”变成顶点Attribute了，呵呵。
还有没有其他方法呢？
再回头看一看Uniform这种类型的输入参数。Uniform一般是针对每个DrawCall的，目前是无法“降格”到针对每个Insatnce（与此相对，attribute一般是针对每个顶点的，可以“升格”到针对每个Instance，如上所述）。但是我们也可以把所有的Instance数据打包成一个Array，作为uniform传入vertex shader——上面不是提及gl_InstanceID这个东西的作用了么？用它来检索这个Array不就OK了么！当然了这个方法需要在DrawCall前传入一个或许很“重”的unifom变量（使用UBO或许可以减小GLSL对uniform变量占宽的限制），Vettex Shader里也得多个检索。至于什么方法更好，就看应用场合+见仁见智了。像如果每个实例需要不同的纹理，那最好的方案是传入一个texture Array（[学一学, Texture Array纹理数组] ），然后使用gl_InstanceID来检索（注意它是个int值，传入fragment shader里的时候要指定flat来避免栅格化插值）。像一个天空盒SkyBox，六个面都是矩形，模型矩阵和纹理不一样，就可以这样做。
glsl代码 (fragment shader, texture for each instance)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | #version 330 #extension GL_EXT_gpu_shader4 : enable uniform sampler2DArray basetexArray; in vec2 varying_texcoord; flat in int varying_InstanceID; layout(location = 0) out vec4 fragColor; void main(void) { vec4 texCol = texture2DArray(basetexArray, vec3(varying_texcoord, varying_InstanceID)); fragColor = texCol; } |
在往后的文章，我将会谈及另一种针对Instanced Objects的剔除方法，也就是在[乱弹纪录I:Geometry Shader]中提及的利用Geometry Shader进行几何元剔除的方式，通过额外的一个简单Pass判定可见性，剔除并FeedBack到第二个Pass渲染视锥体可见的物件。这种方式可以一定程度减小Instancing的上述负向影响。
本文到此结束。随着GPU图形技术的发展，以及大批量物件渲染的需要，过去使用范围很受限的Geometry Instancing如今也越来越重要了，OpenGL对这类技术的支持也越来越丰富，也将越来越更丰富。
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