CSharpGL(30)用条件渲染(Conditional Rendering)来提升OpenGL的渲染效率

CSharpGL(30)用条件渲染(Conditional Rendering)来提升OpenGL的渲染效率

当场景中有比较复杂的模型时，条件渲染能够加速对复杂模型的渲染。

条件渲染(Conditional Rendering)

当我们能够断定一个模型被其他模型挡住（因此不会被Camera看到）时，我们就可以跳过对此模型的渲染。这就是条件渲染的根本。

那么如何去判断？方法就是用一个简单的包围盒（比如一个立方体）去渲染一下，看看fragment是不是有变化（即包围盒上的某些部分通过了depth test，最终渲染到Framebuffer上了）。如果没有任何一个fragment发生改变，就说明这个包围盒是被挡住了，那么被包围起来的模型也必然是被挡住了。

下载

CSharpGL已在GitHub开源，欢迎对OpenGL有兴趣的同学加入（https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL）

原理

本篇需要用到2个知识点。

遮面查询(Occlusion Query)

这里OpenGL提供了一个Query Object。类似Buffer Object，Vertex Array Object等，也是通过glGen*等方式使用的。

Query Object的作用就是记录一个包围盒是否改变了某些fragment。

如下代码所示，在通常的渲染前后用glBeginQuery和glEndQuery包围起来，Query就会记录是否有fragment被改变了。

 glBeginQuery(GL_SAMPLES_PASSED, queryId);
 glDrawArrays(GL_TRIANGLES, , );
 glEndQuery(GL_SAMPLES_PASSED);

之后用下述方式即可获知是否有fragment被改变了。只要SampleRendered()返回值为false，那么这个模型就不用渲染了。

         /// <summary>
         ///
         /// </summary>
         /// <returns></returns>
         public bool SampleRendered()
         {
             var result = new int[];
             int count = ;
             while (result[] ==  && count-- > )
             {
                 glGetQueryObjectiv(this.Id, OpenGL.GL_QUERY_RESULT_AVAILABLE, result);
             }

             if (result[] != )
             {
                 glGetQueryObjectiv(this.Id, OpenGL.GL_QUERY_RESULT, result);
             }
             else
             {
                 result[] = ;
             }

             return result[] != ;
         }

条件渲染(Conditional Rendering)

上述Query对象使用时的一个缺点是，CPU必须用循环等待GPU的Query结果。这就拖延了后续渲染步骤，降低了FPS。

为避免CPU循环等待，OpenGL提供了下面2个指令，他们的作用就是用GPU代替了CPU循环的功能。

 glBeginConditionalRender(uint id, uint mode);
 glEndConditionalRender();

其使用方式也像Query对象一样，把通常的渲染指令包围起来即可。

 glBeginConditionalRender(queryId, GL_QUERY_WAIT);
 glDrawArrays(GL_TRIANGLE_FAN, , numVertices);
 glEndConditionalRender();

示例

一个特别的3D模型

我们需要设计一个顶点多而又被一个简单的模型遮挡住的模型。这个复杂模型就用点云表示，用于遮挡的模型就用一个简单的Cube就可以了。

运用CSharpGL封装的功能，很快就可以做出这个模型来。

     /// <summary>
     /// demostrates how to perform conditional rendering.
     /// </summary>
     internal class ConditionalRenderer : RendererBase
     {
         private const int xside = , yside = , zside = ;
         private const int pointCount = ;
         private static readonly vec3 unitLengths = new vec3(, , );
         private const float scaleFactor = 1.0f;

         private List<Tuple<CubeRenderer, RendererBase, Query>> coupleList = new List<Tuple<CubeRenderer, RendererBase, Query>>();
         private DepthMaskSwitch depthMaskSwitch = new DepthMaskSwitch(false);
         private ColorMaskSwitch colorMaskSwitch = new ColorMaskSwitch(false, false, false, false);

         private bool enableConditionalRendering = true;

         public bool ConditionalRendering
         {
             get { return enableConditionalRendering; }
             set { enableConditionalRendering = value; }
         }

         private bool renderBoundingBox = false;

         public bool RenderBoundingBox
         {
             get { return renderBoundingBox; }
             set { renderBoundingBox = value; }
         }

         private bool renderTargetModel = true;

         public bool RenderTargetModel
         {
             get { return renderTargetModel; }
             set { renderTargetModel = value; }
         }

         public static ConditionalRenderer Create()
         {
             var result = new ConditionalRenderer();
             {
                 var wallRenderer = CubeRenderer.Create(new Cube(new vec3(unitLengths.x * , unitLengths.y * , 0.1f) * new vec3(xside, yside, zside)));
                 wallRenderer.WorldPosition = new vec3(, , );
                 var boxRenderer = CubeRenderer.Create(new Cube(new vec3(unitLengths.x * , unitLengths.y * , 0.1f) * new vec3(xside, yside, zside)));
                 boxRenderer.WorldPosition = new vec3(, , );
                 var query = new Query();
                 result.coupleList.Add(new Tuple<CubeRenderer, RendererBase, Query>(boxRenderer, wallRenderer, query));
             }
             for (int x = ; x < xside; x++)
             {
                 for (int y = ; y < yside; y++)
                 {
                     for (int z = ; z < zside; z++)
                     {
                         var model = new RandomPointsModel(unitLengths, pointCount);
                         RandomPointsRenderer renderer = RandomPointsRenderer.Create(model);
                         renderer.PointColor = Color.FromArgb(
                             (int)((float)(x + ) / (float)xside * ),
                             (int)((float)(y + ) / (float)yside * ),
                             (int)((float)(z + ) / (float)zside * ));
                         renderer.WorldPosition =
                             (new vec3(x, y, z) * unitLengths * scaleFactor)
                             - (new vec3(xside - , yside - , zside - ) * unitLengths * scaleFactor * 0.5f);
                         var cubeRenderer = CubeRenderer.Create(new Cube(unitLengths));
                         cubeRenderer.WorldPosition = renderer.WorldPosition;
                         var query = new Query();
                         result.coupleList.Add(new Tuple<CubeRenderer, RendererBase, Query>(cubeRenderer, renderer, query));
                     }
                 }
             }

             result.Lengths = new vec3(xside + , yside + , zside + ) * unitLengths * scaleFactor;

             return result;
         }

         private ConditionalRenderer()
         { }

         protected override void DoInitialize()
         {
             foreach (var item in this.coupleList)
             {
                 item.Item1.Initialize();
                 item.Item2.Initialize();
                 item.Item3.Initialize();
             }
         }

         protected override void DoRender(RenderEventArgs arg)
         {
             if (this.ConditionalRendering)
             {
                 this.depthMaskSwitch.On();
                 this.colorMaskSwitch.On();
                 foreach (var item in this.coupleList)
                 {
                     item.Item3.BeginQuery(QueryTarget.AnySamplesPassed);
                     item.Item1.Render(arg);
                     item.Item3.EndQuery(QueryTarget.AnySamplesPassed);
                 }
                 this.colorMaskSwitch.Off();
                 this.depthMaskSwitch.Off();
                 var result = new int[];
                 foreach (var item in this.coupleList)
                 {
                     item.Item3.BeginConditionalRender(ConditionalRenderMode.QueryByRegionWait);
                     //if (item.Item3.SampleRendered())
                     {
                         if (this.renderTargetModel) { item.Item2.Render(arg); }
                         if (this.renderBoundingBox) { item.Item1.Render(arg); }
                     }
                     item.Item3.EndConditionalRender();
                 }
             }
             else
             {
                 foreach (var item in this.coupleList)
                 {
                     if (this.renderTargetModel) { item.Item2.Render(arg); }
                     if (this.renderBoundingBox) { item.Item1.Render(arg); }
                 }
             }
         }
     }

conditional rendering demo.

条件渲染效果

下面让蓝色的墙遮挡住彩色点云。

总结

条件渲染(Conditional Rendering)是一项非常厉害的技术。当要渲染一个数据量很大的模型时，用条件渲染技术能够显著提升渲染效率，因为这个技术能够少画一些被遮挡的内容。