簡介
本章對應文檔
如果我們想要繪製許多相同的物體，只是他們的位置或大小不同，按照之前學習的知識，正常的做法是構建一個變化矩陣數組，通過for循環進行循環繪製，當我們繪製的物體數量逐漸增加時會發現設備越來越卡。如果我們能夠將數據一次性發送給GPU，然後使用一個繪製函數讓OpenGL利用這些數據繪製多個物體，就會更方便了。這就是實例化(Instancing)。
實例化
實例化只能在OpenGL ES 3.0之後才能使用，實例化會使用到這些方法
glDrawArraysInstanced( int mode, int first, int count, int instanceCount )：前三個參數和glDrawArrays( int mode, int first, int count )方法一樣，最後一個instanceCount參數表示要“重複”繪製多少次。
glDrawElementsInstanced( int mode, int count, int type, java.nio.Buffer indices, int instanceCount )：前四個參數和glDrawElements( int mode, int count, int type, java.nio.Buffer indices )方法一樣，最後一個instanceCount參數表示要“重複”繪製多少次。
這兩個函數本身並沒有什麼用。渲染同一個物體一千次對我們並沒有什麼用處，每個物體都是完全相同的，而且還在同一個位置。還需要配合內建變量：gl_InstanceID。使用實例化渲染調用時，gl_InstanceID會從0開始，在每個實例被渲染時遞增1。比如說，我們正在渲染第43個實例，那麼頂點着色器中它的gl_InstanceID將會是42。因爲每個實例都有唯一的ID，我們可以建立一個數組，將ID與位置值對應起來，將每個實例放置在世界的不同位置。
最後是傳入我們的數據，頂點，顏色等數據和之前沒有變化，主要是變化矩陣數據的接收。
使用實例化繪製矩形
以繪製多個矩形爲例，第一種方式，生成多個偏移量數據，然後使用for循環傳入數據，在頂點着色器中使用數組接收並根據gl_InstanceID獲取當前的數據再進行繪製。頂點着色器的代碼如下，
#version 300 es
layout (location = 0) in vec2 aPosition;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
out vec3 fColor;
uniform vec2 offsets[100];
void main(){
vec2 offset = offsets[gl_InstanceID];
gl_Position = vec4(aPosition + offset, 0.0, 1.0);
fColor = aColor;
}
片段着色器就是簡單繪製，代碼不再贅述，生成和傳入數據的方式如下
……
translationArray = new float[100][2];
int index = 0;
float offset = 0.1f;
for (int y = -10; y < 10; y += 2) {
for (int x = -10; x < 10; x += 2) {
float[] translation = new float[2];
translation[0] = (float) x / 10.0f + offset;
translation[1] = (float) y / 10.0f + offset;
translationArray[index++] = translation;
}
}
……
for (int i = 0; i < 100; i++) {
GLES20.glUniform2fv(GLES20.glGetUniformLocation(quadsRenderer.shaderProgram, "offsets[" + i + "]"), 2, OpenGLUtil.createFloatBuffer(translationArray[i]));
}
GLES30.glDrawArraysInstanced(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, 6, 100);
效果圖如下，在屏幕上會生成100個矩形，
使用實例化數組
雖然上面的代碼可以實現我們的效果，但是當我們需要繪製的物體更多，從而超過最大能夠發送至着色器的uniform數據大小時，則需要使用實例化數組的方式，我們定義一個頂點屬性來接收，僅在頂點着色器渲染一個新的實例時數據纔會更新。修改後的着色器代碼如下，
#version 300 es
layout (location = 0) in vec2 aPosition;
layout (location = 1) in vec3 aColor;
layout (location = 2) in vec2 aOffset;
out vec3 fColor;
void main(){
gl_Position = vec4(aPosition + aOffset, 0.0, 1.0);
fColor = aColor;
}
我們不再需要gl_InstanceID和offset了，而我們傳入offset數據時和傳入頂點和顏色的數據類似，如下
……
translations = new float[200];
int index = 0;
float offset = 0.1f;
for (int y = -10; y < 10; y += 2) {
for (int x = -10; x < 10; x += 2) {
translations[index++] = (float) x / 10.0f + offset;
translations[index++] = (float) y / 10.0f + offset;
}
}
……
GLES20.glVertexAttribPointer(quadsRenderer.offsetHandle, 2, GLES20.GL_FLOAT, false, 2 * 4, OpenGLUtil.createFloatBuffer(translations));
GLES30.glVertexAttribDivisor(quadsRenderer.offsetHandle, 1);
GLES30.glDrawArraysInstanced(GLES20.GL_TRIANGLES, 0, 6, 100);
比較重要的是glVertexAttribDivisor( int index, int divisor )這個方法，它告訴了OpenGL該什麼時候更新頂點屬性的內容至新一組數據。它的第一個參數是需要的頂點屬性，第二個參數是屬性除數(Attribute Divisor)。默認情況下，屬性除數是0，告訴OpenGL我們需要在頂點着色器的每次迭代時更新頂點屬性。將它設置爲1時，我們告訴OpenGL我們希望在渲染一個新實例的時候更新頂點屬性。而設置爲2時，我們希望每2個實例更新一次屬性，以此類推。我們將屬性除數設置爲1，是在告訴OpenGL，處於位置值2的頂點屬性是一個實例化數組。
繪製後的效果和上面的效果相同。
實例化數組和gl_InstanceID 也可以結合使用，我們稍微修改下頂點着色器代碼，根據gl_InstanceID 來縮小矩形，
……
void main(){
float id = float(gl_InstanceID);
vec2 pos = aPosition * (id / 100.0);
gl_Position = vec4(pos + aOffset, 0.0, 1.0);
fColor = aColor;
}
效果如下，
小行星帶
宇宙中的某些星球會有星環或者行星帶，它們都是由各種大小不一且位置不同的碎石組成的，在一定的範圍內圍繞着星球旋轉，下面我們就實現這樣一種效果。
關於行星和行星帶的模型，可以在文章中的地址下載，分別是planet文件夾和rock文件夾，使用我們學習的模型加載進行加載。
首先我們不使用實例化來實現，着色器代碼比較簡單，輸入頂點，紋理座標和紋理即可。
頂點着色器
#version 300 es
layout (location = 0) in vec3 aPosition;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;
out vec2 TexCoords;
uniform mat4 uMVPMatrix;
void main(){
TexCoords = aTexCoords;
gl_Position = uMVPMatrix * vec4(aPosition, 1.0f);
}
片段着色器
#version 300 es
out vec4 FragColor;
in vec2 TexCoords;
uniform sampler2D texture_diffuse1;
void main(){
FragColor = texture(texture_diffuse1, TexCoords);
}
然後需要計算小行星帶上每個石塊的位置，根據文檔中的代碼進行修改後如下
private float[][] createMatrices(int amount, float radius, float offset) {
float[][] modelMatrices = new float[amount][16];
Random random = new Random(System.nanoTime());
for (int i = 0; i < amount; i++) {
float[] modelMatrix = new float[16];
Matrix.setIdentityM(modelMatrix, 0);
// 1. 位移：分佈在半徑爲 'radius' 的圓形上，偏移的範圍是 [-offset, offset]
float angle = (float) i / (float) amount * 360.0f;
float displacement = (float) (random.nextInt((int) (2 * offset * 100))) / 100.0f - offset;
float x = (float) Math.sin(Math.toRadians(angle)) * radius + displacement;
displacement = (float) (random.nextInt((int) (2 * offset * 100))) / 100.0f - offset;
float y = displacement * 0.4f;
displacement = (float) (random.nextInt((int) (2 * offset * 100))) / 100.0f - offset;
float z = (float) Math.cos(Math.toRadians(angle)) * radius + displacement;
Matrix.translateM(modelMatrix, 0, x, y, z);
// 2. 縮放：在 0.05 和 0.25f 之間縮放
float scale = (float) (random.nextInt(20)) / 100.0f + 0.05f;
Matrix.scaleM(modelMatrix, 0, scale, scale, scale);
// 3. 旋轉：繞着一個（半）隨機選擇的旋轉軸向量進行隨機的旋轉
float rotAngle = (float) random.nextInt(360);
Matrix.rotateM(modelMatrix, 0, rotAngle, 0.4f, 0.6f, 0.8f);
modelMatrices[i] = modelMatrix;
}
return modelMatrices;
}
繪製的代碼不再贅述，我們設置顯示2000個，顯示效果如下
不使用實例化時，根據設備性能，繪製的速度不同，當逐漸增加顯示數量時（例如10w），繪製時間很長，設備會非常卡。
下面我們使用實例化數組的方式來繪製，稍微修改一些參數（radius，offset）和觀察點位置，設置數量爲10w個。繪製小行星的代碼無需變化，繪製行星帶的頂點着色器需要修改，用一個4x4的矩陣aInstanceMatrix來接收變化矩陣數據，
#version 300 es
layout (location = 0) in vec3 aPosition;
layout (location = 2) in vec2 aTexCoords;
layout (location = 3) in mat4 aInstanceMatrix;
out vec2 TexCoords;
uniform mat4 uVPMatrix;
void main(){
TexCoords = aTexCoords;
gl_Position = uVPMatrix * aInstanceMatrix * vec4(aPosition, 1.0f);
}
繪製行星帶時傳入變換數據，這裏需要注意的是，由於mat4是一個4x4的矩陣，會生成四個句柄：3,4,5,6，只能四個一組進行傳入，最後同樣的要調用glVertexAttribDivisor，然後使用glDrawArraysInstanced繪製（因爲我們的模型讀取方法把索引變爲了頂點，因此無法使用glDrawElementsInstanced），顯示效果如下，
運行起來代碼我們看到，10w個元素繪製的時間也不長，和不使用實例化增加到10w個元素的繪製時間對比一下可以看到差距很大。
可以嘗試改變爲一直繪製，可以看到行星帶一直在圍繞行星旋轉。
當遇到這種場景時，可以嘗試使用實例化來實現，例如雨水，草地，雪地等等。
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