インスタンス化

オブジェクトの膨大な数のモデルを含むシーンを想像し、さらに、これらのモデルは主に同じ頂点データを含み、適用される変換マトリックスのみが異なると想像してください。 たとえば、草地のあるシーンでは、草の葉のそれぞれが、文字通り三角形のペアで構成される小さなモデルで表されます。 もちろん、目的の効果を得るには、このモデルを1回ではなく、フレームごとに1万回、1万回レンダリングする必要があります。 各葉には文字通り三角形のペアが含まれているため、レンダリングはほとんど瞬時に行われます。 ただし、関数を一緒にレンダリングするために何千回も繰り返し呼び出すと、パフォーマンスが著しく低下します。





説明した方法でシーンに多くのオブジェクトを表示することを本当に計画した場合、コードでは次のようになります。

for (unsigned int ix = 0; ix < model_count; ++ix) { //  VAO, ,  , ... DoSomePreparations(); glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, vertex_count); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

同じモデルの複数のインスタンスをレンダリングする場合、パフォーマンスの点でボトルネックにすぐに到達します。これは、プリミティブレンダリング関数の多くの呼び出しになります。 直接レンダリングにかかる​​時間と比較して、 glDrawArraysやglDrawElemenetsなどの関数を使用して何かをレンダリングしたいというデータをGPUに転送すると、かなり時間がかかります。 この時間は、頂点データを直接出力する前にOpenGLが必要とする準備に費やされます。現在のデータ読み取りバッファー、頂点属性データの場所と形式などに関するデータをGPUに転送します。 そして、このすべての交換は、CPUとGPUを接続する比較的低速のバスで実行されます。 逆説的な状況があります。頂点データのレンダリングは非常に高速ですが、レンダリングのためのコマンドの転送はかなり遅いです。



必要なデータをビデオカードに1回送信してから、OpenGLに1回の呼び出しでこのデータを使用して多くのオブジェクトをレンダリングするように依頼できると便利です。 インスタンス化の世界へようこそ！



インスタンス化とは、描画関数の1回の呼び出しで多くのオブジェクトを表示できる技術で、レンダリング中の不必要なCPU-> GPU交換から私たちを救います。 インスタンス化の使用を開始するために必要なことは、 glDrawArraysとglDrawElemenetsの呼び出しをそれぞれglDrawArraysInstancedとglDrawElementsInstancedに変更することです。 インスタンス化をサポートするバージョンは、通常のバージョンでよく知られている機能に加えて、1つの追加パラメーターを受け入れます。 このパラメーターはインスタンスの数、つまり レンダリングするモデルのインスタンスの数。 したがって、一度レンダリングに必要なすべてのデータをGPUに供給し、特別な関数を1回呼び出すだけで、目的の数のオブジェクトインスタンスをレンダリングする方法を指定します。 また、ビデオカードは、CPUに常にアクセスすることなく、多くのオブジェクトをすべて描画します。

このような機会はそれ自体ではあまり役に立ちません。同じ方法で何千ものオブジェクトを同じ位置に表示すると、1つのオブジェクトの同じ画像になります。すべてのコピーが互いに重ね合わせられます。 この問題を解決するために、頂点シェーダーでは、GLSL gl_InstanceID組み込み変数が使用可能です 。

レンダリングのインスタンス化をサポートする関数を使用する場合、この変数の値は、表示されるインスタンスごとに1ずつ増加し、ゼロから始まります。 したがって、オブジェクトの43番目のインスタンスをレンダリングすると、頂点シェーダーでgl_InstanceIDが42になります。インスタンスに対応する一意のインデックスがある場合、たとえば、位置ベクトルの大きな配列から選択してシーンの特定の場所に各インスタンスをレンダリングできます。



インスタンス化の本質をよりよく理解するために、1回の描画呼び出しでデバイス（NDC）の正規化された座標に100個の四角形（四角形）をレンダリングする簡単な例を考えてみましょう。 オフセットは、ユニフォーム（100個のオフセットベクトルを含む配列）からの選択を使用して決定されます。 結果は、ウィンドウ領域全体を埋める長方形のすてきなグリッドです。









各クワッドは2つの三角形で構成され、6つの頂点を提供します。 各頂点には、NDCの2コンポーネントの位置ベクトルと色ベクトルが含まれています。 例からの頂点データを以下に示します-三角形のサイズは、画面を大量に正しく満たすのに十分なほど小さく選択されます。

  float quadVertices[] = { //  //  -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 };
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

クワッドカラーはフラグメントシェーダーによって決定されます。フラグメントシェーダーは、頂点シェーダーから取得した補間頂点カラーを出力変数に直接リダイレクトします。

 #version 330 core out vec4 FragColor; in vec3 fColor; void main() { FragColor = vec4(fColor, 1.0); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

私たちにとって新しいものはありません。 しかし、頂点シェーダーでは、状況は異なります：

 #version 330 core layout (location = 0) in vec2 aPos; layout (location = 1) in vec3 aColor; out vec3 fColor; uniform vec2 offsets[100]; void main() { vec2 offset = offsets[gl_InstanceID]; gl_Position = vec4(aPos + offset, 0.0, 1.0); fColor = aColor; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ここでは、100個のオフセットベクトルを含むオフセット均一配列を宣言しました。 シェーダーコードでは、 gl_InstanceID変数の値によって配列から取得することでオフセット値を取得します。 その結果、このシェーダーを使用して、画面上のさまざまな位置にある数百のクワッドをレンダリングできます。



ただし、追加の作業が必要になります-オフセットの配列だけではいっぱいになりません。 メインレンダリングサイクルに入る前に、アプリケーションに入力します。

 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; } }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ここでは、均一な10x10グリッドを定義する100個の転送ベクトルが作成されます。



生成されたデータをシェーダーの均一な配列に転送することを忘れないでください：

 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]); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

このコードでは、ループ変数iを文字列型の変数に変換して、ユニフォームの名前の文字列を動的に設定し、その名前でユニフォームの場所を取得できるようにします。 オフセット均一配列の各要素に対して、対応する生成されたオフセットベクトルを渡します。

C ++ 11以降が使用可能な場合は、std :: to_string（）を使用することをお勧めします。 Note.per。

準備作業が完了したので、最終的にレンダリングに進むことができます。 インスタントレンダラーを呼び出すには、 glDrawArraysInstancedまたはglDrawElementsInstancedを使用する必要があることを思い出させてください。 この例ではインデックスバッファを使用しないため、次のコードが使用されます。

 glBindVertexArray(quadVAO); glDrawArraysInstanced(GL_TRIANGLES, 0, 6, 100);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

レンダリング関数に渡されるパラメータは、 glDrawArraysに渡されるパラメータと同じです。ただし、最後のパラメータは例外で、レンダリングするインスタンスの希望数を設定します。 10x10グリッドで100個のクワッドを出力したいので、100を渡します。コードを実行すると、数百のカラフルな長方形で既に馴染みのある画像が出力されるはずです。

インストールされたアレイ

前の例は非常に機能しており、そのタスクに対処しています。 しかし、問題があります。食欲が増し、100コピーをはるかに超えて引き出したい場合、シェーダーに送信される均一データの許容量の上限にすぐに到達します。 ユニフォームを介してデータを渡す代わりに、 インスタンス化された配列があります 。これは頂点属性として設定され、オブジェクトのレンダリングされたインスタンスの現在のインデックスが変更されたときにのみ選択が行われます。 その結果、これにより、はるかに大量のデータをより便利な方法で転送できます。



通常の頂点属性の場合、GLSLは頂点シェーダーコードの後続の実行ごとに新しい頂点データ値をフェッチします。 ただし、頂点属性をインスタンス化された配列として設定すると、GLSLは、オブジェクトの次の頂点ではなく、オブジェクトの連続するインスタンスごとに新しい属性値を選択します。 その結果、垂直に表示されるデータには通常の頂点属性を使用し、オブジェクトインスタンスに固有のデータにはインスタンス化された配列を使用できます。



これがどのように機能するかをよりよく理解するために、均一な配列の代わりにインスタンス化された配列を使用するようにサンプルコードを変更します。 新しい頂点属性を設定して、シェーダーコードを更新する必要があります。

 #version 330 core layout (location = 0) in vec2 aPos; layout (location = 1) in vec3 aColor; layout (location = 2) in vec2 aOffset; out vec3 fColor; void main() { gl_Position = vec4(aPos + aOffset, 0.0, 1.0); fColor = aColor; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ここでは、 gl_InstanceID変数を使用せず、配列から選択する必要なく、 offset属性に直接アクセスできます。



インスタンス化された配列の実装は、基本的にpositionやcolorなどの頂点属性に基づいているため、頂点バッファーオブジェクトにデータを保存し、頂点属性のポインターを構成する必要があります。 まず、 翻訳配列データを新しいバッファーオブジェクトに保存します。

 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);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

また、頂点属性のポインターを構成し、属性をアクティブにします。

 glEnableVertexAttribArray(2); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, instanceVBO); glVertexAttribPointer(2, 2, GL_FLOAT, GL_FALSE, 2 * sizeof(float), (void*)0); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0); glVertexAttribDivisor(2, 1);
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

このコードは、 glVertexAttribDivisorの呼び出しの最後の行を除いてよく知られています 。 この関数は、頂点属性から新しい要素を選択するタイミングをOpenGLに伝えます。 最初のパラメーターは対象の属性のインデックスで、2番目は属性divisorです。 デフォルトでは、0に設定されます。これは、頂点シェーダーによって処理される新しい頂点ごとに属性を更新することに対応します。 このパラメーターを1に設定することにより、後続の各インスタンスをレンダリングするときに属性を更新する必要があることをOpenGLに通知します。 区切り文字を2に設定することにより、2つのインスタンスごとに更新を提供します。 実際、セパレーターを1に設定すると、このセパレーターを持つ属性がインスタンス化された配列によって表されることを示します。



glDrawArraysInstancedを使用してシーンを描画すると、次の図が得られます。









前回とまったく同じですが、インスタンス化された配列を使用して実装されます。これにより、より多くのデータを頂点シェーダーに転送して、インスタンス化されたレンダリングを保証できます。



純粋にいたずらから、右上隅から左下隅の方向に向かって、各クワッドを徐々に減らすようにします。 gl_InstanceID変数を再度使用するのは、なぜですか？

 void main() { vec2 pos = aPos * (gl_InstanceID / 100.0); gl_Position = vec4(pos + aOffset, 0.0, 1.0); fColor = aColor; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

その結果、最初のコピーが小さくレンダリングされる画像が得られますが、コピー数が100に近づくと、各長方形のサイズは元のサイズに近づきます。 インスタンス化された配列とgl_InstanceIDのこの共有は完全に受け入れられます。









レンダリングされたレンダーの動作原理を適切にマスターしていることを疑う場合、またはサンプルコード全体のデバイスを調べたい場合は、ソースがここにあります 。

もちろん、これはすべて良いことですが、これらの例は、インスタンス化の本当の利点についてはよくわかりません。 もちろん、技術的な詳細はここに示されていますが、インスタンスの本質は、似たようなオブジェクトを大量にレンダリングする場合にのみ明らかになります。これはまだ到達していません。 そのため、次のセクションでは、インスタンス化の真の力を個人的に確認するために、宇宙空間に移動する必要があります。

小惑星フィールド

巨大な惑星が小惑星の巨大なベルトに囲まれているシーンを想像してください。 そのようなベルトには、数千または数万の岩層が含まれている場合があります。 そのようなシーンの結論は、すぐれたビデオカードではほとんど不可能になります。 しかし、このシナリオでは、ベルトのすべての小惑星を単一のモデルとして表現できるため、インスタンス化の使用が示唆されています。 各小惑星は、その固有の変換行列により、隣接する小惑星とわずかに異なります。



インスタンス化のプラスの効果を示すために、まずこのシーンを使用せずに引き出そうとします。 シーンには大きな惑星が含まれ、そのモデルはここからダウンロードできます。また、惑星の周りに特別に配置された小惑星の大きなセットも含まれます。 小惑星モデルはここからダウンロードできます 。



アプリケーションコードでは、ローダーを使用してモデルのデータをロードします。これは、 モデリングのレッスンで分析されました。



シーンの必要な構成を実現するために、各小惑星に固有の変換マトリックスを作成します。これは、各小惑星をレンダリングするときにモデルマトリックスとして使用されます。 マトリックスはいくつかの段階で形成されます。 最初に、転送変換を適用して、小惑星をリング内のどこかに配置します。 また、小さなランダムバイアスを適用して、小惑星の分布にリアリズムを追加します。 次に、ランダムなスケーリングと回転ベクトルの周りの回転が追加されます。 その結果、各小惑星を惑星の近くのどこかに配置する変換行列を取得し、同時にそのユニークな外観を提供します。 そして、小惑星帯は、互いに異なる石の塊で満たされています。

 unsigned int amount = 1000; glm::mat4 *modelMatrices; modelMatrices = new glm::mat4[amount]; srand(glfwGetTime()); //  seed   .  float radius = 50.0; float offset = 2.5f; for(unsigned int i = 0; i < amount; i++) { glm::mat4 model(1.0f); // 1. :     'radius' //      [-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; //     ,     XZ float y = displacement * 0.4f; 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. :     (0.05, 0.25f) float scale = (rand() % 20) / 100.0f + 0.05; model = glm::scale(model, glm::vec3(scale)); // 3. :      float rotAngle = (rand() % 360); model = glm::rotate(model, rotAngle, glm::vec3(0.4f, 0.6f, 0.8f)); // 4.     modelMatrices[i] = model; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

このコードの断片は恐ろしいように見えるかもしれませんが、ここでは半径radiusで定義された円に沿って各小惑星をXZ平面に配置し 、この円に関して（ -offset 、 offset ）内に小さなランダムオフセットを追加します。 Asterodianリングにリング自体の形状を与えるために、Y座標を少しだけ変更します。 さらに、スケーリングと回転が適用され、結果は、量とともに、 modelMatricesマトリックスの配列に格納されます。 この例では、小惑星ごとに1つ、1000個のモデル行列が作成されます。



惑星モデルと小惑星モデルをロードし、シェーダーをコンパイルした後、レンダリングコードに進むことができます。

 //   shader.use(); glm::mat4 model(1.0f); model = glm::translate(model, glm::vec3(0.0f, -3.0f, 0.0f)); model = glm::scale(model, glm::vec3(4.0f, 4.0f, 4.0f)); shader.setMat4("model", model); planet.Draw(shader); //   for(unsigned int i = 0; i < amount; i++) { shader.setMat4("model", modelMatrices[i]); rock.Draw(shader); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

最初に、惑星のモデルを描画します。このモデルは、シーンに収まるようにわずかにシフトおよびスケーリングする必要があります。 次に、準備された変換の配列の量に等しい量の小惑星をレンダリングします。 各小惑星の出力の前に、対応するデータをモデル行列を含むユニフォームに転送する必要があります。



宇宙からの写真に似た写真で、小惑星帯に囲まれたかなり説得力のある惑星があります。









このシーンは、フレームごとに1001回のレンダリング関数の呼び出しを実行し、そのうち1000回は小惑星モデルに該当します。 ソースはこちらです。

表示される小惑星の数を増やし始めると、シーンがスムーズに再描画されなくなり、1秒あたりのフレーム数が急激に低下することがすぐにわかります。 2000個の小惑星を取り出そうとするとすぐに、レンダリングが非常に反応しなくなり、単純にシーン内を移動することはほとんど不可能になります。



では、同じことを試してみましょう。ただし、インスタンス化を使用します。 まず、頂点シェーダーを少し調整します。

 #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; }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

モデルマトリックスを含むユニフォームは使用しなくなりました。 代わりに、マトリックスを格納する新しい頂点属性を宣言します。この属性に、インスタンス化された変換マトリックスの配列を配置します。 vec4サイズを超えるタイプサイズで頂点属性を指定する場合、1つの特性を考慮する必要があることに注意してください。 mat4は基本的に4つの接続されたvec4sであるため、この属性では、頂点属性の位置（ location ）のインデックスが最大 4つ予約されます。 ここで、属性に配置インデックス3を割り当てました。これは、マトリックスの列が3、4、5、および6の配置インデックスを受け取ることを意味します。



クライアントコードでは、これらの暗黙的に指定された各位置インデックスの頂点属性へのポインターを設定する必要があります。 そして、それらのそれぞれをインスタンス化された配列として初期化することを忘れないでください：

 //  VBO unsigned int buffer; glGenBuffers(1, &buffer); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, buffer); glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, amount * sizeof(glm::mat4), &modelMatrices[0], GL_STATIC_DRAW); for(unsigned int i = 0; i < rock.meshes.size(); i++) { unsigned int VAO = rock.meshes[i].VAO; glBindVertexArray(VAO); //   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); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ここで、 VAOをMeshクラスのプライベート変数ではなくパブリックとして宣言することで、少しごまかしたことに注意してください。これにより、頂点配列オブジェクトへのアクセスが簡単になりました。 それは最もエレガントできれいなソリューションではないかもしれませんが、簡単な例のニーズのためにそれはします。 この小さなハックに加えて、残りのコードは明確にする必要があります。 ここでは、マトリックスで表される頂点属性の各要素について、OpenGLがバッファーの内容をどのように解釈するかを単に示します。 また、これらの各属性がインスタンス化された配列であることも示します。



次に、 VAOで準備されたモデルに戻り 、レンダリングを呼び出します。

 // draw meteorites 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 ); }
      
      

        
        
        
      

    
        
        
        
      
      

        
        
        
      

    
     

ここでは、前の例と同じ数の小惑星でレンダリングが実行されますが、現在はインスタンス化が使用されています。 視覚的には、結果は似ています。主な違いは、小惑星の数の増加に現れます。インスタンス化せずに、1000から1500小惑星の範囲でビデオカードから滑らかなレンダリングを絞ることができます。インスタンスを使用すると、信じられないほどの100,000個の小惑星まで冷静にレベルを上げることができます。それぞれに576個の頂点が含まれているため、パフォーマンスを低下させることなく、約5,700万個の処理済み頂点を取得できます。











この画像は、変数radius = 150.0fおよびoffset = 25.0fの100,000個の小惑星の出力で取得されました。ソースコードはこちらです。

作業マシンの構成はだれもが異なるため、100,000の制限は多少楽観的かもしれません。フレームレートが許容範囲内に収まるように、特定の数値を調整してみてください。

ご覧のとおり、特定のタスクでは、インスタンス化によりパフォーマンスが大幅に向上する場合があります。そのため、この手法を使用して、草、植物、パーティクルシステム、およびレッスンで示したものに類似した他のシーンをレンダリングします。



PS ：転送を調整するための電報confがあります。 翻訳を手伝いたいという真剣な願望があれば、大歓迎です！