使用纹理缓冲区对象 (OpenGL) 在图形应用程序中管理矩阵的有效方法

Question

我正在使用 OpenGL 和 GLSL 开发一个小型 3D 引擎。我目前使用纹理缓冲区对象 (TBO) 来存储我所有的矩阵（投影、视图、模型和阴影矩阵）。但是我做了一些关于在图形引擎中处理矩阵的最佳方式（我的意思是最有效的方式）的研究，但没有成功。目标是将最多的矩阵存储到最少数量的 TBO 中，并发生最少的状态更改以及 GPU 和客户端代码 (glBufferSubData) 之间的最少交换。

我提出了两种不同的方法（各有优缺点）：

这是一个场景示例：

1 个摄像头（1 个 ProjMatrix，1 个 ViewMatrix） 5 个盒子（5 个模型矩阵）

这是我使用的简单顶点着色器的示例：

#version 400

/*
** Vertex attributes.
*/
layout (location = 0) in vec4 VertexPosition;
layout (location = 1) in vec2 VertexTexture;

/*
** Uniform matrix buffer.
*/
uniform samplerBuffer matrixBuffer;

/*
** Matrix buffer offset.
*/
uniform int MatrixBufferOffset;

/*
** Output variables.
*/
out vec2 TexCoords;

/*
** Returns matrix4x4 from texture cache.
*/
mat4 Get_Matrix(int offset)
{
    return (mat4(texelFetch(
        matrixBuffer, offset), texelFetch(
            matrixBuffer, offset + 1), texelFetch(matrixBuffer, offset + 2),
                texelFetch(matrixBuffer, offset + 3)));
}

/*
** Vertex shader entry point.
*/
void main(void)
{
    TexCoords = VertexTexture;
    {
        mat4 ModelViewProjMatrix = Get_Matrix(
            MatrixBufferOffset);
        gl_Position = ModelViewProjMatrix  * VertexPosition;
    }
}

1) 我目前使用的方法：在我的顶点着色器中，我使用 ModelViewProjMatrix（需要光栅化（gl_Position））、ModelViewMatrix（用于光照计算）和 ModelMatrix。因此，为了避免在顶点着色器中进行无用的计算，我决定为 TBO 中内联的每个网格节点存储 ModelViewProjMatrix、ModelViewMatrix 和 ModelMatrix，如下所示：

TBO = {[ModelViewProj_Box1][ModelView_Box1][Model_Box1]|[ModelViewProj_Box2]...}

优点：我不需要为每个顶点着色器计算产品 Proj * View * Model（例如 ModelViewProj）（矩阵是预先计算的）。

缺点：如果我移动相机，我需要更新所有的 ModelViewProj 和 ModelView 矩阵。所以，很多信息要更新。

2）我想到了另一种方式，我认为更有效：存储一次投影矩阵，一次视图矩阵最后每个盒子场景节点模型矩阵再次这样：

TBO = {[ProjMatrix][ViewMatrix][ModelMatrix_Box1][ModelMatrix_Box2]...}

所以我的顶点着色器将如下所示：

#version 400

/*
** Vertex attributes.
*/
layout (location = 0) in vec4 VertexPosition;
layout (location = 1) in vec2 VertexTexture;

/*
** Uniform matrix buffer.
*/
uniform samplerBuffer matrixBuffer;

/*
** Matrix buffer offset.
*/
uniform int MatrixBufferOffset;

/*
** Output variables.
*/
out vec2 TexCoords;

/*
** Returns matrix4x4 from texture cache.
*/
mat4 Get_Matrix(int offset)
{
    return (mat4(texelFetch(
        matrixBuffer, offset), texelFetch(
            matrixBuffer, offset + 1), texelFetch(matrixBuffer, offset + 2),
                texelFetch(matrixBuffer, offset + 3)));
}

/*
** Vertex shader entry point.
*/
void main(void)
{
    TexCoords = VertexTexture;
    {
        mat4 ProjMatrix = Get_Matrix(MatrixBufferOffset);
        mat4 ViewMatrix = Get_Matrix(MatrixBufferOffset + 4);
        mat4 ModelMatrix = Get_Matrix(MatrixBufferOffset + 8);

        gl_Position = ProjMatrix * ViewMatrix * ModelMatrix * VertexPosition;
    }
}

优点：TBO 包含使用的矩阵的确切数量。更新具有高度针对性（如果我移动相机，我只更新视图矩阵，如果我调整 window 的大小，我只更新投影矩阵，最后如果一个对象正在移动，只更新它的模型矩阵）。

缺点：我需要计算顶点着色器 ModelViewProjMatrix 中的每个顶点。另外，如果场景由大量对象组成，每个对象都拥有不同的模型矩阵，我可能需要创建一个新的 TBO。因此，我将丢失 proj/view 矩阵信息，因为我不会连接到正确的 TBO，这将我们带到我的第三种方法。

3) 将投影和视图矩阵存储在一个 TBO 中，并将所有其他模型矩阵存储在另一个或其他 TBO 中，如下所示：

TBO_0 = {[ProjMatrix][ViewMatrix]} TBO_1 = {[ModelMatrix_Box1][ModelMatrix_Box2]...}

你觉得我的3种方法怎么样？哪一个最适合你？

非常感谢您的帮助！

Answer 1

解决方案 3 是大多数引擎所做的，除了它们使用统一缓冲区（常量缓冲区）而不是纹理缓冲区。此外，它们通常不会将 all 模型矩阵分组在同一个缓冲区中，它们通常按对象类型分组（因为相同的对象是通过实例一次绘制的），有时按频率分组更新（从不移动的对象在同一个缓冲区中，因此永远不需要更新）。

glBufferSubData 也可能很慢；更新一个缓冲区通常比绑定一个不同的缓冲区要慢，因为所有的同步都发生在驱动程序内部。有一个很好的书籍章节，可以在 Internet 上免费获得，称为 "OpenGL Insights: Asynchronous Buffer Transfers"（Google 它可以找到它）。

编辑：您在评论中链接的 nvidia article 非常有趣。他们建议使用 glMultiDrawElements 一次进行多个绘制调用（这是主要技巧，其他一切都是因为该决定）。这可以大大减少 CPU 驱动程序中的工作，但这也意味着提供绘制对象所需的所有数据要复杂得多：您必须 build/update 为矩阵提供更大的缓冲区/ material 值并且，您还需要使用诸如无绑定纹理之类的东西，以便能够为每个对象提供不同的纹理。所以，有趣，但更复杂。

而 glMultiDrawElements 仅在您想绘制大量不同对象时才重要。他们的示例有 68000-98000 个不同的网格，这确实很多。例如，在游戏中，您通常有很多相同对象的实例，但只有几百个不同的对象（最多）。最后还是要看你的3D引擎需要渲染什么。

使用纹理缓冲区对象 (OpenGL) 在图形应用程序中管理矩阵的有效方法

Efficient way to manage matrices within a graphic application using Texture Buffer Object(s) (OpenGL)

opengl

matrix

glsl

shader

vertex-shader