OpenGL ES 学习教程(十七) Unity GPU Instance 原理及 GLES 实现

Posted 2022-07-29 _Captain

目录

1.为什么要合并DrawCall？

2.static/dynamic batch与GPU Instance异同

3.图形框架提供的接口介绍

3.1 接口方面修改

3.2 Shader代码修改

4.实例测试 glDrawArraysInstanced

4.1 查询当前系统GLES支持的Uniform变量个数上限

4.2 顶点Shader 准备接收数组数据

4.3 C++代码向顶点Shader传入数据

4.4 运行效果

5.缺点&优化

6.实例代码下载

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我们口中常说的Unity batch有2种形式：

1. static/dynamic batch 
2. GPU Instance

static/dynamic 都是在软件层面上对Mesh进行合并，而GPU Instance则是图形框架提供的功能，任何游戏引擎都可以实现上面2种形式的batch。

这次我们就来探究下Unity GPU Instance的原理及实现。

 

1.为什么要合并DrawCall？

首先需要了解的是CPU与GPU交互，是CS架构的。

我们口头上常说的一个DrawCall，指的是从指定GPU Program，指定各种参数，上传纹理，顶点数据到GPU，最后调用glDrawxxx 这个接口命令GPU开始渲染这一系列过程。

这一系列过程都由CPU进行调用执行，整个游戏的渲染过程，就是一个While死循环，不断的执行上面的一系列过程。

1个DrawCall就只需要执行一次，10000个DrawCall，就需要执行10000次。

执行次数越多，自然CPU的消耗就越高。

2.static/dynamic batch与GPU Instance异同

相同点：

• 目标相同 减DrawCall

不同点：

• static/dynamic batch：针对相同材质，不同或相同Mesh，进行合并的操作，是逻辑层的功能。
• GPU Instance：针对同一个Mesh多次渲染，是图形框架提供的功能。

 

3.图形框架提供的接口介绍

GPU Instance是OpenGL ES 3.0版本才开始提供的功能，之前博客里面使用到的都是OpenGL ES 2.0版本，在3.0版本里，新增了以下改动。

3.1 接口方面修改

与渲染单个物体使用的 glDrawArrays / glDrawElements 对应，OpenGL提供了多实例渲染的接口 glDrawArraysInstanced / glDrawElementsInstanced。

看下2种接口的定义：

GL_APICALL void GL_APIENTRY glDrawArrays (GLenum mode, GLint first, GLsizei count);
GL_APICALL void GL_APIENTRY glDrawElements (GLenum mode, GLsizei count, GLenum type, const void *indices);

GL_APICALL void GL_APIENTRY glDrawArraysInstanced (GLenum mode, GLint first, GLsizei count, GLsizei instancecount);
GL_APICALL void GL_APIENTRY glDrawElementsInstanced (GLenum mode, GLsizei count, GLenum type, const void *indices, GLsizei instancecount);

最后多出的参数 instancecount，表示需要渲染的实例个数。

3.2 Shader代码修改

在Shader中新增了 gl_InstanceID 变量表示当前渲染的实例 index。

在代码中传入多个实例的数组数据后，就可以用 gl_InstanceID 作为下标取出。

例如：

uniform mat4 m_mvps[50];//mvp矩阵数组，存储每个立方体的mvp。然后以gl_InstanceID为下标来取。

void main()

	vec4 pos=vec4(m_position,1);
        mat4 mvp = m_mvps[gl_InstanceID];//gl_InstanceID是递增的
	......

4.实例测试 glDrawArraysInstanced

以 OpenGL ES 学习教程(九) 油腻的效果 Lighting Maps 高光贴图    这篇文章进行修改。(注意项目里更新了OpenGL ES 3.0的库)。

4.1 查询当前系统GLES支持的Uniform变量个数上限

uniform mat4 m_mvps[50];//mvp矩阵数组，存储每个立方体的mvp。然后以gl_InstanceID为下标来取。

我这里将50个实例的MVP矩阵 以 uniform 数组形式传入到顶点Shader中，但是在glsl中 uniform 变量是有个数上限的，这里 50 个实例的mvp数组，就占用了 50 个 uniform 变量。

是的，uniform 数组中的一个元素，就占了一个 uniform 名额。

通过下面的代码，查询当前系统支持的 uniform 个数上限。

//获取顶点shader uniform最大数量。gles3 这边查询到是256，那么GLProgram_Cube里有3个变量数组，最多创建85个Instance。应该减少数组，将运算放到顶点shader中。
GLint maxVertUniformsVect = 0;
glGetIntegerv(GL_MAX_VERTEX_UNIFORM_VECTORS, &maxVertUniformsVect);

我电脑上是256个。

本次测试实例，顶点Shader有 3 个 Uniform数组。

uniform mat4 m_mvps[50];//mvp矩阵数组，存储每个立方体的mvp。然后以gl_InstanceID为下标来取。
uniform mat4 m_models[50];
uniform mat4 m_modelsofnormal[50];

那么最多可以绘制的实例数量为85个。

4.2 顶点Shader 准备接收数组数据

顶点Shader 修改如下：

//GLProgram_Cube.h Line62
const char* vertexShader=

	"precision lowp float;"

	"attribute vec3 m_position;"

	//接受数组数据
	"uniform mat4 m_mvps[50];"//mvp矩阵数组，存储每个立方体的mvp。然后以gl_InstanceID为下标来取。
	"uniform mat4 m_models[50];"
	"uniform mat4 m_modelsofnormal[50];"

	"attribute vec3 m_normal;"
	"varying vec3 out_normal;"



	"varying vec3 out_fragpos;"

	"attribute vec2 m_uv;"
	"varying vec2 m_outUV;"

	"void main()"
	""
	"	vec4 pos=vec4(m_position,1);"

	//从数组中取出数据
	"   mat4 mvp = m_mvps[gl_InstanceID];"//gl_InstanceID是递增的
	"   mat4 model = m_models[gl_InstanceID];"
	"   mat4 modelofnormal = m_modelsofnormal[gl_InstanceID];"

	"	gl_Position=mvp*pos;"
	"	out_normal=mat3( modelofnormal) * m_normal ;"
	"	out_fragpos=vec3(model*vec4(m_position,1));"
	"	m_outUV=m_uv;"
	""
;

4.3 C++代码向顶点Shader传入数据

修改C++部分代码如下：

//MyApp.h Line73
m_programCube.begin();

	......

	//对应顶点Shader uniform数组
	glm::mat4 mvps[50];
	glm::mat4 models[50];
	glm::mat4 modelsofnormal[50];

	int index = 0;
	float offset = 5.0f;
	for (int x = -5; x < 5; x++)
	
		for (int y = -2; y < 3; y++)
		
			//model;
			glm::mat4 trans = glm::translate(glm::vec3(offset*x, offset*y, 0));
			glm::mat4 scale = glm::scale(glm::vec3(1.5f, 1.5f, 1.5f));
			glm::mat4 rotation = glm::eulerAngleYXZ(glm::radians(0.0f), glm::radians(0.0f), glm::radians(0.0f));

			glm::mat4 model = trans*scale*rotation;

			glm::mat4 mvp = proj*view*model;

			mvps[index] = mvp;

			models[index] = model;

			glm::mat4 modelofnormal = glm::transpose(glm::inverse(model));
			modelsofnormal[index] = modelofnormal;

			index++;
		
	

	//向顶点Shader 传递数组数据
	for (unsigned int i = 0; i < 50; i++)
	
		std::stringstream ss;
		std::string index;
		ss << i;
		index = ss.str();
		m_programCube.setMat4(("m_mvps[" + index + "]").c_str(), mvps[i]);
		m_programCube.setMat4(("m_models[" + index + "]").c_str(), models[i]);
		m_programCube.setMat4(("m_modelsofnormal[" + index + "]").c_str(), modelsofnormal[i]);
	

	......
	//一次性绘制50个实例
	glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6 * 6, 50);

4.4 运行效果

实际运行效果如上图，这是一个DrawCall完成的。

5.缺点&优化

使用uniform 数组的形式，受限制与 uniform 变量个数上限，本文的例子，一次不能超过85个箱子。

优化的方式就是减少Uniform 变量个数，例如只传输 model 矩阵数组到顶点shader，mvp和 modelsofnormal 都在顶点shader中进行计算得到，这样可以一次性绘制200多个。

缺点就是突破不了256个，那在草地的场景里，就使不上劲了。

Opengl中提供了更为先进的API，下一篇再介绍。

 

6.实例代码下载

https://download.csdn.net/download/cp790621656/14503352

7.参考资料

https://www.khronos.org/registry/OpenGL-Refpages/es3.0/

https://learnopengl-cn.github.io/04%20Advanced%20OpenGL/10%20Instancing/