第二十二课，实例化（instancing）

概述

对于拥有同一模型数据的物体（例如：草），每一帧需要渲染成百上千的实例，这些渲染几乎可以瞬间完成，但是上千个渲染函数的调用却会造成极大的性能影响。

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

1. 载入实例化对象

加载模型 或 自定义数据

2. 设置实例化对象数量以及各实例位置信息

每一个实例都需要设置一个独有的变换，因为如果每一个实例都渲染在同一个位置，以同样的方式，那么实例渲染将毫无意义。

故需要一个偏移量或model矩阵的数组，来设置每一个实例的变化。

例如：

1. 二维空间平移变换

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;
    }
}

2. 三维空间变换

unsigned int amount = 1000;
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;
}  

3. 向shader传参，设置顶点属性

使用实例化位置信息有两种方式

第一种，使用Uniform传参

但GPU提供给Uniform的数据大小有上限，如果要渲染远超过100个实例的时候，便不能组成工作。替代它的方式是使用实例化数组（就是使用VBO）。

shader.use();
for(unsigned int i = 0; i < 100; i++)
{
    
    stringstream ss;
    string index;
    ss << i; 
    index = ss.str(); 
    shader.setVec2(("offsets[" + index + "]").c_str(), translations[i]);
}

疑问：使用VBO不会造成GPU内存不够，猜测Uniform和VBO存储在不同的分区。

第二种，使用实例化数组

（1）将数据绑定到VBO

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);

或

// 顶点缓冲对象
unsigned int buffer;
glGenBuffers(1, &buffer);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer);
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, amount * sizeof(glm::mat4), &modelMatrices[0], GL_STATIC_DRAW);

（2）绑定数组信息（一个VAO绑定多个VBO）

注：在模型导入时，已经将模型数据导入到0，1，2号结点，故，在这里只需要将模型变换矩阵绑定。

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。

glVertexAttribDivisor(顶点属性号,每隔几个实例走一步)。
因为对于一个实例，需要使用模型VBO中的所有数据，而对于每一个实例，只需要使用模型变换中的一个模型矩阵。故使用glVertexAttribDivisor函数来设置。

• 当第二个参数实例数据的步长为0（默认位0），及对于一个实例中的每一个顶点使用不同的模型矩阵。
• 当第二个参数实例数据的步长为1时，对于一个实例中的每一个顶点都使用相同的模型矩阵。
• 当第二个参数实例数据的步长为2时，每2个实例更新一次属性（模型矩阵）
• 依次类推

for(unsigned int i = 0; i < rock.meshes.size(); i++)
{
    
    unsigned int VAO = rock.meshes[i].VAO;
    glBindVertexArray(VAO);
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer);
    // 顶点属性
    GLsizei 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*)(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);
}  

4. shader编写

vert

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;
layout (location = 3) in mat4 instanceMatrix;

out vec2 TexCoords;

uniform mat4 projection;
uniform mat4 view;

void main()
{
    
    gl_Position = projection * view * instanceMatrix * vec4(aPos, 1.0); 
    TexCoords = aTexCoords;
}

frag

#version 330 core
out vec4 FragColor;

in vec3 fColor;

void main()
{
    
    FragColor = vec4(fColor, 1.0);
}

Draw

glDrawElementsInstanced多了一个参数amount表示实例化数量

// 绘制小行星
instanceShader.use();
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
    );
}

运行结果