Androidで動くモダンなインスタンシングを考える

このNVIDIAのスライドは基本的にPC対象です。しかし、昨今のゲーム業界はモバイル無しでは語れません。OpenGL ESで対応可能か機能を吟味してみます。

一発のDraｗCallでたくさんのオブジェクトを表示するには以下の様な機能が必要です。

1. インスタンシングのためのAPI
2. シェーダーからバッファにランダムアクセスする方法
3. シェーダーから複数のテクスチャにランダムアクセスする方法

サンプルプログラム程度の簡素なインスタンシングならglDrawElementsInstancedのようなAPIと、glVertexAttribDivisorでper instanceデータとして個別の座標等を渡せば済むので、2,3は無くてもいいかもしれません。しかし、マテリアルやボーンを変えてインスタンシングしたいなど、実用性を考えだすと2や3が必要となってきます。

まずは1のAPIですが、glMultiDrawElementsIndirectを使うと形の違うメッシュを一回のDrawCallで同時に描画できそうでした。しかし、残念ながらOpenGL ESでは使えなさそうです。glDrawElementsInstancedという、DirectX9時代からあった伝統的なインスタンシングで我慢します。

2と3は、マテリアルやボーンなどが異なるオブジェクトを一回のDrawCallで描くためには描画と描画の間にテクスチャの切り替えやバッファの更新を入れることができないため、描画対象の複数のオブジェクトが必要なデータを全部VRAMに上げておいて、シェーダーからランダムアクセスする必要があるということです。特にボーンが入っていて個別にアニメーションするとなると大きなバッファが必要です。

2. は嬉しいことに、OpenGL ES 3.1 ではSSBOという、ランダムアクセス可能なサイズの大きいバッファに対応しています。(資料https://www.khronos.org/assets/uploads/developers/library/2014-gdc/Khronos-OpenGL-ES-GDC-Mar14.pdf)しかし、Lollipopより前、KitKat以前のOpenGL ES 3.0の場合、uniformバッファを使う必要がありそうです。当然uniformの最大サイズに制限があるので、それより大きなバッファにランダムアクセスしたい場合はテクスチャにデータを格納してvertex texture fetchするなど更なる工夫が要求されます。

3.はbindless texture(ARB_bindless_texture)に対応していると理想的です。シェーダーからどのテクスチャにアクセスするかに関してほぼ制限がありません。しかし、OpenGL ESでは使えません。しかも、PCであっても比較的最近のものしか対応していないようです。

スライドではテクスチャをタイル化して大きなテクスチャを構成するARB_sparse_textureにも言及されていますが、同様にESでは使えません。

OpenGL ES 3.0 であればTexture Arraysが使えます。ただし、テクスチャのサイズやフォーマットを一致させる必要があるなど、アーティストに制限を課してしまうかもしれません。

古典的な手法ではTexture Atlasesや、あるいはインスタンシング対象はテクスチャを変えない、インスタンシングはしない、なども視野に入れて悩む必要がありそうです。

まとめ

PCなら以下のセットで異種混合インスタンシング

1. glMultiDrawElementsIndirect(ARB_shader_draw_parameters)
2. SSBO(ARB_shader_storage_buffer_object)
3. bindless texture(ARB_bindless_texture)

Lollipop(OpenGL ES 3.1)なら以下のセットでインスタンシング

1. glDrawElementsInstanced
2. SSBO(ARB_shader_storage_buffer_object)
3. Texture Arrays

OpenGL ES 3.0なら以下のセットでインスタンシング

1. glDrawElementsInstanced
2. uniform か vertex texture fetch
3. Texture Arrays

OpenGL ES 2.0はインスタンシングのAPIが無いのであきらめる。