WebGL2系列之實例數組(Instanced Arrays)

實例化數組

實例化是一種只調用一次渲染函數卻能繪製出很多物體的技術，它節省渲染一個物體時從CPU到GPU的通信時間。
實例數組是這樣的一個對象，使用它，可以把原來的的uniform變量轉換成attribute變量，而且這個attribute變量對應的緩衝區可以被多個對象使用；這樣在繪製的時候，可以減少webgl的調用次數。

背景

假設這樣的一個場景：你需要繪製很多個形狀相同的物體，但是每個物體的顏色、位置卻不一樣，通常的做法是這樣的：

for(var  i = 0; i < amount_of_models_to_draw; i++)
{
    doSomePreparations(); // bind VAO, bind Textures, set uniforms etc.
    gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, amount_of_vertices);
}

但是這種做法的一個缺點是：當繪製的對象的數量巨大之後，執行的效率就會變的很慢了；這是因爲每一次繪製的時候，都需要調用很多webgl 的很多方法，比如綁定VAO對象，綁定貼圖，設置uniform變量，告訴GPU從哪個緩衝區區讀取頂點數據，以及從×××到頂點屬性，所有這些都會是CPU和GPU的資源消耗過多。

實例化

如果能夠講數據一次性發送給GPU，然後告訴WebGL使用一個繪製函數，繪製多個物體，就會更方便。這種技術，便是實例化技術。這種技術的實現思路，就是把原本的uniform變量，比如變換矩陣，變成attribute變量，然後把多個對象的矩陣數據，寫在一起，然後創建所有矩陣的VBO對象（頂點緩存區）；創建好緩衝區後，把所有對象的矩陣數據通過bufferData 上傳到緩衝區中，這和普通的attribute變量的緩衝區沒什麼差別。
接下來，就是和普通的VBO差異的部分：該緩衝區可以在多個對象之間共享。每個對象取該緩衝區的一部分數據，作爲attribute變量的值，方法如下:

   gl.vertexAttribDivisor(index, divisor)

通過gl.vertexAttribDivisor方法指定緩衝區中的每一個值，用於多少個對象，比如divisor = 1，表示每一個值用於一個對象；如果divisor=2，表示一個值用於兩個對象。 index表示的attribute變量的地址。

然後，通過調用如下方法進行繪製：

gl.drawArraysInstanced(mode, first, count, instanceCount);
gl.drawElementsInstanced(mode, count, type, offset, instanceCount);

這兩個方法和 gl.drawArrays與gl.drawElements類似，不同的是多了第四個參數 instanceCount，表示一次繪製多少個對象。
通過這個方法，便能實現一次調用繪製多個對象的目標。

案例說明

代碼展示

本案例將一次繪製多個四邊形，代碼如下：

 var count = 3000;
        var positions = new Float32Array([
            -1/count, 1/count, 0.0,
            -1/count, -1/count, 0.0,
            1/count, 1/count, 0.0,
            1/count, -1/count, 0.0,
        ]);
        var positionBuffer = gl.createBuffer();
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, positions, gl.STATIC_DRAW);
        gl.vertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
        gl.enableVertexAttribArray(0);
        var colors = new Float32Array([
            1.0, 0.0, 0.0,
            0.0, 1.0, 0.0,
            0.0, 0.0, 1.0,
            1.0, 1.0, 1.0,
        ]);
        var colorBuffer = gl.createBuffer();
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, colors, gl.STATIC_DRAW);
        gl.vertexAttribPointer(1, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
        gl.enableVertexAttribArray(1);

        var indices = new Uint8Array([
            0,1,2,
            2,1,3
        ]);

        var indexBuffer = gl.createBuffer();
        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER,indexBuffer);
        gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER,indices,gl.STATIC_DRAW); //給緩衝區填充數據

        var offsetArray = [];
        for(var i = 0;i < count;i ++){
            for(var j = 0; j < count; j ++){
                var x = ((i + 1) - count/2) / count * 4;
                var y = ((j + 1) - count/2) / count * 4;
                var z = 0;
                offsetArray.push(x,y,z);
            }
        }

        var offsets = new Float32Array(offsetArray)

        var offsetBuffer = gl.createBuffer();
        var aOffsetLocation = 2;
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, offsetBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, offsets, gl.STATIC_DRAW);
        gl.enableVertexAttribArray(aOffsetLocation);
        gl.vertexAttribPointer(aOffsetLocation, 3, gl.FLOAT, false, 12, 0);
        gl.vertexAttribDivisor(aOffsetLocation, 1);

        // ////////////////
        // // DRAW
        // ////////////////
        gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);// 清空顏色緩衝區
        // // 繪製第一個三角形
        gl.bindVertexArray(triangleArray);
        gl.drawElementsInstanced(gl.TRIANGLES,indices.length,gl.UNSIGNED_BYTE,0,count * count);

###定義四邊形VBO、IBO數據
首先定義一個變量count，繪製四邊形的個數爲 count * count,也就是count 列 count行個四邊形。然後一下代碼定義四邊形的頂點座標、顏色和索引相關數據，這在WebGL1中多次使用，不在贅述：

var positions = new Float32Array([
            -1/count, 1/count, 0.0,
            -1/count, -1/count, 0.0,
            1/count, 1/count, 0.0,
            1/count, -1/count, 0.0,
        ]);
        var positionBuffer = gl.createBuffer();
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, positionBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, positions, gl.STATIC_DRAW);
        gl.vertexAttribPointer(0, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
        gl.enableVertexAttribArray(0);
        var colors = new Float32Array([
            1.0, 0.0, 0.0,
            0.0, 1.0, 0.0,
            0.0, 0.0, 1.0,
            1.0, 1.0, 1.0,
        ]);
        var colorBuffer = gl.createBuffer();
        gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, colorBuffer);
        gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, colors, gl.STATIC_DRAW);
        gl.vertexAttribPointer(1, 3, gl.FLOAT, false, 0, 0);
        gl.enableVertexAttribArray(1);

        var indices = new Uint8Array([
            0,1,2,
            2,1,3
        ]);

        var indexBuffer = gl.createBuffer();
        gl.bindBuffer(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER,indexBuffer);
        gl.bufferData(gl.ELEMENT_ARRAY_BUFFER,indices,gl.STATIC_DRAW); //給緩衝區填充數據

uniform變量改成attribute變量

接下來，爲了把每個四邊形分開，我們給每個四邊形定義一個偏移量（此處的偏移量可以相當於變換矩陣），在WebGL1中，這個偏移量會以uniform變量的方式定義，但是在實例化的技術下，該偏移量定義爲attribute變量, layout(location=2) in vec4 offset:

var vsSource = `#version 300 es
       ......
        layout(location=2) in vec4 offset;
        ......
        void main() {
            vColor = color;
            gl_Position = position  + offset;
        }
`;

定義偏移量的數據及VBO

然後定義每個對象的偏移量數據的數組：
``` var offsetArray = [];
for(var i = 0;i < count;i ++){
for(var j = 0; j < count; j ++){
var x = ((i + 1) - count/2) / count 4 - 2/count;
var y = ((j + 1) - count/2) / count 4 - 2/count;
var z = 0;
offsetArray.push(x,y,z);
}
}

這個偏移量，將會使所有的四邊形，按照count 行 count 列排列。
定義了偏移量數組之後，創建相應的緩衝區和開啓attribute變量：

var offsetBuffer = gl.createBuffer();
var aOffsetLocation = 2; // 偏移量attribute變量地址
gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, offsetBuffer);
gl.bufferData(gl.ARRAY_BUFFER, offsets, gl.STATIC_DRAW);
gl.enableVertexAttribArray(aOffsetLocation); // 啓用偏移量attribute變量從緩衝區取數據
gl.vertexAttribPointer(aOffsetLocation, 3, gl.FLOAT, false, 12, 0); // 定義每個數據的長度爲3個分量，長度爲12 = 3 * 4（浮點數長度）。
gl.vertexAttribDivisor(aOffsetLocation, 1);

### gl.vertexAttribDivisor
注意  gl.vertexAttribDivisor(aOffsetLocation, 1); 這一行，1表示指定每個數據(定義每個數據的長度爲3個分量，長度爲12 = 3 * 4（浮點數長度)) 被一個四邊形所用，而每一個四邊形的繪製期間，attribute變量offset保持不變，這個uniform變量類似。

### gl.drawElementsInstanced 繪製多個實例
接下來，調用方法繪製多個實例，

    // ////////////////
    // // DRAW
    // ////////////////
    gl.clear(gl.COLOR_BUFFER_BIT);// 清空顏色緩衝區
    // // 繪製第一個三角形
    gl.bindVertexArray(triangleArray);
    gl.drawElementsInstanced(gl.TRIANGLES,indices.length,gl.UNSIGNED_BYTE,0,count * count);

gl.drawElementsInstanced 將會繪製count * count個四邊形的實例，需要注意的是，繪製實例的個數，不能多於attribute變量offset變量的對應的緩衝區的數據個數，前面代碼offsetArray定義了count*count個數據（注意每個數據有3個分量，所以數據個數不等於offsetArray數組長度），因此繪製的示例個數不能超過count * count 個，但是可以少於。
## 案例效果說明
如果把count 指定爲10，最終繪製的效果如下：

![繪製10*10個示例](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/6271001-70e41e9924b21c8d.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

可以看出，一次繪製調用，繪製出了100個對象；
如果通過WebGL1的方式需要遍歷100次繪製。因此可以看出減少了繪製的遍歷。
當然如果只是繪製100個四邊形，遍歷方法也沒什麼不好，實例化的威力主要體現在，當數據量變到很大的時候，比如在筆者電腦上，把count值改爲4000，那麼會繪製4000 * 4000 = 一千六百萬個四邊形，如下：

![九百萬個四邊形](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/6271001-fc5ee472f58590c8.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240) 
可以看出，還是可以很好的繪製出來（雖然由於對象太多，已經看不清楚界限）
而採用WebGL1 循環遍歷的方式，估計最多也就能夠達到萬級別的繪製循環數量，千萬級別的數量簡直不可想象。  
當然這個數量 也是有限制的，比如在筆者的機器上，把count改成5000，也就是5000 * 5000 = 兩千五百萬的時候，機器就奔潰了。

![奔潰了](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/6271001-f60f0a01f4055d99.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

## WebGL1 擴展
在WebGL1中，可以通過擴展來ANGLE_instanced_arrays來實現，相關函數如下：

var ext = gl.getExtension('ANGLE_instanced_arrays');

ext.vertexAttribDivisorANGLE(index, divisor);

ext.drawArraysInstancedANGLE(mode, first, count, primcount);

ext.drawElementsInstancedANGLE(mode, count, type, offset, primcount);



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![ITman彪叔公衆號](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/6271001-71b1902df91ba0cb.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/256)

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實例化數組

背景

實例化

案例說明

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