简介
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如果我们想要绘制许多相同的物体，只是他们的位置或大小不同，按照之前学习的知识，正常的做法是构建一个变化矩阵数组，通过for循环进行循环绘制，当我们绘制的物体数量逐渐增加时会发现设备越来越卡。如果我们能够将数据一次性发送给GPU，然后使用一个绘制函数让OpenGL利用这些数据绘制多个物体，就会更方便了。这就是实例化(Instancing)。
实例化
实例化只能在OpenGL ES 3.0之后才能使用，实例化会使用到这些方法
glDrawArraysInstanced( int mode, int first, int count, int instanceCount )：前三个参数和glDrawArrays( int mode, int first, int count )方法一样，最后一个instanceCount参数表示要“重复”绘制多少次。
glDrawElementsInstanced( int mode, int count, int type, java.nio.Buffer indices, int instanceCount )：前四个参数和glDrawElements( int mode, int count, int type, java.nio.Buffer indices )方法一样，最后一个instanceCount参数表示要“重复”绘制多少次。
这两个函数本身并没有什么用。渲染同一个物体一千次对我们并没有什么用处，每个物体都是完全相同的，而且还在同一个位置。还需要配合内建变量：gl_InstanceID。使用实例化渲染调用时，gl_InstanceID会从0开始，在每个实例被渲染时递增1。比如说，我们正在渲染第43个实例，那么顶点着色器中它的gl_InstanceID将会是42。因为每个实例都有唯一的ID，我们可以建立一个数组，将ID与位置值对应起来，将每个实例放置在世界的不同位置。
最后是传入我们的数据，顶点，颜色等数据和之前没有变化，主要是变化矩阵数据的接收。
使用实例化绘制矩形
以绘制多个矩形为例，第一种方式，生成多个偏移量数据，然后使用for循环传入数据，在顶点着色器中使用数组接收并根据gl_InstanceID获取当前的数据再进行绘制。顶点着色器的代码如下，
#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;
}
片段着色器就是简单绘制，代码不再赘述，生成和传入数据的方式如下
……
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);
效果图如下，在屏幕上会生成100个矩形，
使用实例化数组
虽然上面的代码可以实现我们的效果，但是当我们需要绘制的物体更多，从而超过最大能够发送至着色器的uniform数据大小时，则需要使用实例化数组的方式，我们定义一个顶点属性来接收，仅在顶点着色器渲染一个新的实例时数据才会更新。修改后的着色器代码如下，
#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;
}
我们不再需要gl_InstanceID和offset了，而我们传入offset数据时和传入顶点和颜色的数据类似，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);
比较重要的是glVertexAttribDivisor( int index, int divisor )这个方法，它告诉了OpenGL该什么时候更新顶点属性的内容至新一组数据。它的第一个参数是需要的顶点属性，第二个参数是属性除数(Attribute Divisor)。默认情况下，属性除数是0，告诉OpenGL我们需要在顶点着色器的每次迭代时更新顶点属性。将它设置为1时，我们告诉OpenGL我们希望在渲染一个新实例的时候更新顶点属性。而设置为2时，我们希望每2个实例更新一次属性，以此类推。我们将属性除数设置为1，是在告诉OpenGL，处于位置值2的顶点属性是一个实例化数组。
绘制后的效果和上面的效果相同。
实例化数组和gl_InstanceID 也可以结合使用，我们稍微修改下顶点着色器代码，根据gl_InstanceID 来缩小矩形，
……
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，
小行星带
宇宙中的某些星球会有星环或者行星带，它们都是由各种大小不一且位置不同的碎石组成的，在一定的范围内围绕着星球旋转，下面我们就实现这样一种效果。
关于行星和行星带的模型，可以在文章中的地址下载，分别是planet文件夹和rock文件夹，使用我们学习的模型加载进行加载。
首先我们不使用实例化来实现，着色器代码比较简单，输入顶点，纹理坐标和纹理即可。
顶点着色器
#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);
}
然后需要计算小行星带上每个石块的位置，根据文档中的代码进行修改后如下
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：分布在半径为 'radius' 的圆形上，偏移的范围是 [-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. 缩放：在 0.05 和 0.25f 之间缩放
float scale = (float) (random.nextInt(20)) / 100.0f + 0.05f;
Matrix.scaleM(modelMatrix, 0, scale, scale, scale);
// 3. 旋转：绕着一个（半）随机选择的旋转轴向量进行随机的旋转
float rotAngle = (float) random.nextInt(360);
Matrix.rotateM(modelMatrix, 0, rotAngle, 0.4f, 0.6f, 0.8f);
modelMatrices[i] = modelMatrix;
}
return modelMatrices;
}
绘制的代码不再赘述，我们设置显示2000个，显示效果如下
不使用实例化时，根据设备性能，绘制的速度不同，当逐渐增加显示数量时（例如10w），绘制时间很长，设备会非常卡。
下面我们使用实例化数组的方式来绘制，稍微修改一些参数（radius，offset）和观察点位置，设置数量为10w个。绘制小行星的代码无需变化，绘制行星带的顶点着色器需要修改，用一个4x4的矩阵aInstanceMatrix来接收变化矩阵数据，
#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);
}
绘制行星带时传入变换数据，这里需要注意的是，由于mat4是一个4x4的矩阵，会生成四个句柄：3,4,5,6，只能四个一组进行传入，最后同样的要调用glVertexAttribDivisor，然后使用glDrawArraysInstanced绘制（因为我们的模型读取方法把索引变为了顶点，因此无法使用glDrawElementsInstanced），显示效果如下，
运行起来代码我们看到，10w个元素绘制的时间也不长，和不使用实例化增加到10w个元素的绘制时间对比一下可以看到差距很大。
可以尝试改变为一直绘制，可以看到行星带一直在围绕行星旋转。
当遇到这种场景时，可以尝试使用实例化来实现，例如雨水，草地，雪地等等。
本章源码地址。