使用纹理缓冲区对象在图形应用程序中管理矩阵的有效方法（OpenGL）

我正在用OpenGL和GLSL开发一个小的3D引擎。我目前使用纹理缓冲区对象（TBO）来存储我的所有矩阵（Proj、View、Model和Shadow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法（我指的是最有效的方法）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，并在GPU和客户机代码（glBufferSubData）之间发生最少的状态更改和最少的交换

我提出了两种不同的方法（及其优缺点）：

下面是一个场景示例：

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

下面是我使用的一个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） 我当前使用的方法：在顶点着色器中，我使用ModelViewProjMatrix（光栅化（gl_位置）所需）、ModelViewMatrix（用于照明计算）和ModelMatrix。因此，为了避免顶点着色器中的无用计算，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（矩阵是预先计算的）计算product Proj*View*模型（例如ModelViewProj）

缺点：如果移动相机，则需要更新所有ModelViewProj和ModelView矩阵。所以，有很多信息需要更新

2） 我考虑了另一种方法，我认为更有效：存储一次投影矩阵，一次视图矩阵，最后再存储一次每个长方体场景节点模型矩阵，方法如下：

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

因此，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包含所用矩阵的确切数量。更新具有很强的针对性（如果移动摄影机，则仅更新视图矩阵；如果调整窗口大小，则仅更新投影矩阵；最后，如果对象仅移动，则将更新其模型矩阵）

缺点：我需要计算ModelViewProjMatrix中顶点着色器中的每个顶点。另外，如果场景由大量对象组成，并且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，因为我无法连接到正确的TBO，这就引出了我的第三种方法

3） 将投影和视图矩阵存储在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]…}

你觉得我的三种方法怎么样？哪一个最适合你

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非常感谢您的帮助

解决方案3是大多数引擎所做的，只是它们使用统一缓冲区（常量缓冲区）而不是纹理缓冲区。此外，它们通常不会在同一缓冲区中将所有模型矩阵分组在一起，它们通常按对象类型分组（因为使用实例一次绘制相同的对象），有时按更新频率分组（从不移动的对象位于同一缓冲区中，因此不需要更新）

此外，子数据可能非常慢；更新缓冲区通常比绑定不同的缓冲区慢，因为所有同步都发生在驱动程序内部。关于这一点，有一本非常好的书，在互联网上免费提供，叫做“OpenGL洞察：异步缓冲区传输”（谷歌搜索）

编辑：你在评论中链接的内容非常有趣。他们建议使用glmultidrawerelements一次进行几个draw调用（这是主要的技巧，其他一切都是因为这个决定）。这可以大大减少驱动程序中的CPU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：必须为矩阵/材质值构建/更新更大的缓冲区，并且还需要使用无绑定纹理之类的东西，以便能够为每个对象创建不同的纹理。所以，很有趣，但更复杂

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只有当你想画很多不同的物体时，多重元素才是重要的。他们的例子有68000-98000个不同的网格，这真是太多了。例如，在游戏中，通常有许多相同对象的实例，但只有几百个不同对象（最多）。最后，这取决于3D引擎需要渲染什么。

为什么要使用TBO而不是统一的缓冲区？因为尺寸限制？你好，杰里米，谢谢你的回复。我决定使用TBO而不是UBO（仅用于材质和灯光参数），因为我读了NVIDIA关于这个主题的一篇文章。也许你已经读过了。这是链接（您可以从第31张幻灯片访问TBO矩阵存储）。你能告诉我你对这篇文章的看法吗？提前谢谢！在幻灯片34中，他们说TBO用于存储大型/随机访问数据，UBO仅用于频繁更改，而不用于分散访问。这到底是什么意思？我们可以把矩阵看作大数据吗？那么在阅读本文之后，TBO和UBO之间为您存储矩阵的最佳方式是什么？您可以将您的选择锁定在UBO上：）？TBO更适合于大数据，因为它没有大小限制（与限制为64KB的UBO不同）。当着色器的两个实例不读取UBO中的同一位置时，会发生不同的访问。例如，对于片段着色器，nvidia GPU通常运行同一着色器的32个实例，一次着色32个像素。所有这些实例同时运行相同的指令。如果它们中的一个碰巧以与其他缓冲区不同的偏移量读取缓冲区，则这是一种不同的访问。TBO可能在这方面做得更好