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

Posted 2022-11-30 _Captain

1.前言

上一篇 OpenGL ES 学习教程(十七) Unity GPU Instance 原理及 GLES 实现(一) 介绍了使用Uniform数组实现GPU Instance的方法，但是由于Uniform变量数量有上限，所以这种方式受到很大限制。
本篇介绍使用顶点缓冲区VBO的形式来实现GPU Instance，只要系统允许，可以绘制无限个实例。

2.了解顶点缓冲区VBO

VBO在之前的教程中介绍过了，请跳转 OpenGL ES 学习教程(五) 极速绘制，使用 VBO (顶点缓冲区对象)！

3.使用VBO实现GPU Instance

在上一篇中，我们使用Uniform数组，从C++代码里，一次性将50个MVP矩阵传递给Shader的Uniform数组里，然后借助 gl_InstanceID 这个渲染实例序号，作为下标读取当前实例的MVP。

//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_mvps[50];
 
void main()

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

使用VBO来实现GPU Instance，就无需再使用 gl_InstanceID，OpenGL在逻辑层提供了接口 glVertexAttribDivisor 来标记指定的VBO对象，里面存储的是每一个实例一个元素。

下面来看具体的步骤。

3.1 修改顶点Shader

顶点Shader中的MVP，原来是Uniform标记的，现在修改为 Attribute。

const char* vertexShader =

	"precision lowp float;"

	"attribute vec3 m_position;"
	"attribute vec2 m_uv;"

	//"uniform mat4 m_mvp;"

	"attribute mat4 m_mvp;"

	
	"varying vec2 m_outUV;"

	"void main()"
	""
	"	vec4 pos=vec4(m_position,1);"
	"	gl_Position=m_mvp*pos;"
	"	m_outUV=m_uv;"
	""
;

为什么要修改为Attribute？
顶点Shader，是对每个顶点，执行一次。
Uniform表示，在对当前实例所有顶点，都用这一份相同的数据。
Attribute表示，对每个顶点，都使用不同的数据，如上面的m_position表示当前处理的坐标。

那将MVP修改为 Attribute，那岂不是表示每个顶点使用不同的MVP矩阵吗？
这里就要提到OpenGL新增的API glVertexAttribDivisor，借助它，我们可以将Attribute属性标记为每个实例使用不同的数据，而不再是每个顶点。
例如我们要绘制10000个实例，那么就往VBO中存储10000个MVP矩阵，然后使用glVertexAttribDivisor进行标记，这样在顶点Shader中，使用MVP，就会获得当前实例所属的MVP。
这相当于OpenGL在逻辑层封装了 gl_InstanceID。

3.2 获取m_mvp

获取m_mvp的代码进行修改

//GLProgram_Cube.h Line79
//m_mvp = glGetUniformLocation(m_programId, "m_mvp");
m_mvp = glGetAttribLocation(m_programId, "m_mvp");

设置m_mvp可用

//GLProgram_Cube.h Line85
virtual void begin()

	glUseProgram(m_programId);

	// Enable depth test
	glEnable(GL_DEPTH_TEST);
	// Accept fragment if it closer to the camera than the former one
	glDepthFunc(GL_LESS);

	//设置m_mvp可用
	glEnableVertexAttribArray(m_mvp);
	glEnableVertexAttribArray(m_mvp+1);
	glEnableVertexAttribArray(m_mvp+2);
	glEnableVertexAttribArray(m_mvp+3);

	glEnableVertexAttribArray(m_position);
	glEnableVertexAttribArray(m_uv);


virtual void end()

	glDisableVertexAttribArray(m_mvp);
	glDisableVertexAttribArray(m_mvp + 1);
	glDisableVertexAttribArray(m_mvp + 2);
	glDisableVertexAttribArray(m_mvp + 3);

	glDisableVertexAttribArray(m_position);
	glDisableVertexAttribArray(m_uv);
	glUseProgram(0);

可能你会很奇怪，为什么设置m_mvp 可用，有4行代码。

//设置m_mvp可用
glEnableVertexAttribArray(m_mvp);
glEnableVertexAttribArray(m_mvp+1);
glEnableVertexAttribArray(m_mvp+2);
glEnableVertexAttribArray(m_mvp+3);

这是因为Attribute，最大是4分量的，就是说Attribute只可以标记float,vec2,vec3,vec4。
那我们这里标记的是mat4x4，OpenGL就会帮我们拆分为 4 个 vec4。
就相当于有4个Attribute。

在调试的时候也发现，
m_mvp id=0
m_position id=4
m_uv id=5

在shader中 m_mvp 和 m_position 是相邻的，按理说m_position 应该 id =1。
但是因为 m_mvp被占了为 4 个Attribute，所以 m_position 就后移了。

3.3 创建VBO

新建成员变量存储VBO ID。

//MyApp.h Line21
GLuint instanceVBO;

初始化为 -1。

//MyApp.h Line28
MyApp()

	m_diffusetexture2D = new Texture2D();

	instanceVBO = -1;

创建VBO对象

//MyApp.h Line81
glGenBuffers(1, &instanceVBO);

3.4 使用VBO对象

创建好VBO对象之后，只需要计算出MVP矩阵数组，然后将数组数据上传至VBO对象缓冲中。

//MyApp.h Line55
if (instanceVBO == -1)

	glm::mat4 scale = glm::scale(glm::vec3(1.5f, 1.5f, 1.5f));
	glm::mat4 rotation = glm::eulerAngleYXZ(glm::radians(30.0f), glm::radians(0.0f), glm::radians(0.0f));

	// generate a list of 100 quad locations/translation-vectors
	// ---------------------------------------------------------
	glm::mat4x4 mvps[INSTANCE_NUM];

	srand((int)time(0));//用系统时间作为随机种子
	int min = -20;
	int max = 20;
	for (size_t i = 0; i < INSTANCE_NUM; i++)
	
		int x = rand() % (max - min + 1) + min;//生成的随机数
		int y = rand() % (max - min + 1) + min;//生成的随机数

		//model;
		glm::mat4 trans = glm::translate(glm::vec3(x / 10.0f, y / 10.0f, 0));

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

		mvps[i] = proj*view*model;
	


	glGenBuffers(1, &instanceVBO);
	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO);
	glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(glm::mat4) * INSTANCE_NUM, &mvps[0], GL_STATIC_DRAW);

	// also set instance data
	glVertexAttribPointer(m_programCube.m_mvp, 4, GL_FLOAT, false, 4 * sizeof(glm::vec4), (void*)0);
	glVertexAttribPointer(m_programCube.m_mvp + 1, 4, GL_FLOAT, false, 4 * sizeof(glm::vec4), (void*)(sizeof(glm::vec4)));
	glVertexAttribPointer(m_programCube.m_mvp + 2, 4, GL_FLOAT, false, 4 * sizeof(glm::vec4), (void*)(2 * sizeof(glm::vec4)));
	glVertexAttribPointer(m_programCube.m_mvp + 3, 4, GL_FLOAT, false, 4 * sizeof(glm::vec4), (void*)(3 * sizeof(glm::vec4)));

	glVertexAttribDivisor(m_programCube.m_mvp, 1); // tell OpenGL this is an instanced vertex attribute.
	glVertexAttribDivisor(m_programCube.m_mvp + 1, 1);
	glVertexAttribDivisor(m_programCube.m_mvp + 2, 1);
	glVertexAttribDivisor(m_programCube.m_mvp + 3, 1);

	glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

4.效果

绘制10000个实例的效果。
CPU及GPU占用。

可以看到CPU占用是很低的，因为只有1个DrawCall。
但是GPU已经满负载了，因为减DrawCall并不能降低GPU负担。

5.实例代码下载

https://download.csdn.net/download/cp790621656/14801116

6.参考资料

OpenGL ES 学习教程(五) 极速绘制，使用 VBO (顶点缓冲区对象)！

GPU Instance