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。