使用单个绘制调用在OpenGL中渲染多个模型

Question

我建立了一个2D图形引擎，并为其创建了一个批处理系统，如果我有1000个具有相同纹理的精灵，我可以通过一次OpenGL调用来绘制它们。

这是通过将所有具有相同纹理的精灵的所有顶点放入单个vbo顶点数组中实现的。

我不是“打印这些顶点，打印这些顶点，打印这些顶点”，而是“将所有顶点放在一起，打印”，这很清楚易懂。虽然很容易，但现在我正在尝试在3D中实现相同的效果，但是我遇到了一个大问题。

问题在于，我使用模型视图投影矩阵来放置和渲染我的模型，这是在3D空间中呈现模型的常见方法。对于屏幕上的每个模型，我需要传递MVP矩阵到着色器中，以便我可以使用它将每个顶点转换到正确的位置。

如果我在着色器外执行转换，那么它将由CPU执行，这不是一个好主意，原因是显而易见的。

但问题就在那里。我需要将矩阵传递给着色器，但对于每个模型，矩阵都是不同的。

因此，我不能像处理2D精灵那样处理，因为每次更改着色器统一变量都需要进行绘制。

我希望我已经表达清楚了，也许您有一个我没有想到的好主意，或者您已经遇到了同样的问题。我知道事实上有一个解决方案，因为在像Unity这样的引擎中，您可以使用相同的着色器来渲染多个模型，并且只需进行一次绘制调用即可。

- Ryno

Answer 1

存在一个与您所寻找的完全相同的功能，它被称为实例化。使用实例化，您可以将n个矩阵（或其他任何所需内容）存储在统一缓冲区中，并调用glDrawElementsInstanced来绘制n个副本。在着色器中，您会得到额外的输入gl_InstanceID，通过它，您可以索引到统一缓冲区，以获取该特定实例所需的矩阵。

您可以在此处阅读更多关于实例化的信息：https://www.opengl.org/wiki/Vertex_Rendering#Instancing

- user3529622

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太棒了！我曾经考虑过自己实现类似的东西，但我真的不知道该怎么做，这正是我一直在寻找的。 - Ryno

Answer 2

答案取决于每个项目的顶点数据是否相同。如果是相同的，您可以像@orost的答案一样使用实例化，使用glDrawElementsInstanced和顶点着色器中的gl_InstanceID，并且应该首选该方法。

然而，如果每个3D模型需要不同的顶点数据（这种情况经常发生），仍然可以使用单个绘制调用来渲染它们。为此，您将在顶点数据中添加另一个流，使用glVertexAttribPointer（和glEnableVertexAttribArray）。这个额外的流将包含uniform缓冲区内vertex应该使用的矩阵索引 - 所以VBO中的每个网格都应该在额外的流中具有相同的索引。Uniform缓冲区包含与实例设置相同的数据。

请注意，如果需要重新执行批处理 - 例如，批处理中的对象不再需要呈现，则此方法可能需要一些额外的CPU处理。如果频繁需要执行此过程，则应确定批处理项目实际上是否有益。

- MuertoExcobito

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你认为这合理吗？ - Ryno

嗯...等等，我告诉你我的理解，你告诉我哪里错了。这个想法是将所有的顶点放在一个VBO中（每个顶点包含位置、颜色、法线和其他内容）。假设我添加了一个立方体，然后再添加一个巨大的网格（总共1000个顶点）。 我的VBO将有36+1000个顶点。 然后我有一个包含MVP矩阵的统一缓冲区，在这种情况下有两个矩阵。我的理解是要有一个长度为1036的缓冲区，其中前36个指向第一个矩阵，其他指向第二个矩阵。这正确吗？ - Ryno

如果这样正确的话，我的想法是：1）我会为每个网格分配一个标识符（因为您说仅顶点数不足以确定） 2）每次添加到批处理时，我将该模型与其自己的纹理一起放入批处理中 3）但如果id不同，我将切换到非实例化状态 4）在帧末，根据需要使用的方法以两种方式呈现。 可以吗？ - Ryno

我认为这听起来应该是可行的。我只是想澄清一下，你可以有两个不同的网格，但具有相同数量的顶点。 - MuertoExcobito

好的，完美的，是的我知道这个事实，但我认为使用实例化时，您还应该传递一个包含所有矩阵顶点的VBO，然后指定如何将其“切割”到GPU。例如，对于十个立方体，传递一个360个顶点的VBO，并告诉GPU每次取36个顶点。在这种情况下，我认为即使是相同编号的网格也可以工作，但可能实例化只需要一个单独的网格作为参数和一个N数字来完成工作，我还没有尝试过，所以我不知道。感谢您的回答，现在我的想法更加清晰了。 - Ryno

Answer 3

除了实例化和添加另一个顶点属性作为某个对象ID之外，我还想提及另一种策略（需要现代OpenGL）：

扩展ARB_multi_draw_indirect（自GL 4.3以来已成为核心）添加了间接绘图命令。这些命令直接从另一个缓冲区对象中获取其参数（顶点数、起始索引等）。使用这些函数，可以通过单个绘制调用绘制许多不同的对象。

然而，由于您仍然希望有一些每个对象的状态，例如变换矩阵，因此该功能还不足够。但是与ARB_shader_draw_parameters（尚未成为核心GL）结合使用，您将获得gl_DrawID参数，该参数将在一个多重绘制间接调用中为每个单个对象递增一次。这样，您就可以索引到某个UBO、TBO、SSBO（或其他任何存储每个对象数据的地方）。

- derhass