实例化渲染

简介

Qt Quick 3D 支持Model 对象的实例化。实例化是指通过单次绘制调用将一个对象渲染多次的技术。（例如OpenGL函数glDrawElementsInstanced 。）

实例化允许以不同变体形式复制模型。与使用Repeater3D 不同，模型及其图形资源仅需分配一次。复制的实例由GPU在底层进行渲染。根据模型的复杂程度，这可带来几个数量级的性能提升。

实际上，实例化是通过定义一个表格来实现的，该表格指定了每个实例相对于基础模型的修改方式。

实例化 API

实例化 API 的主要原则在于其显式性：它不会尝试在现有 API 中自动检测实例化的机会。相反，每个模型都会通过将它的 `instancing ` 属性设置为引用一个 `Instancing ` 对象来单独标记。同一个 `Instancing` 对象可以同时用于多个模型。

Instancing对象指定了一张表，用于定义每个副本的渲染方式。可用的修改包括：

• 变换：位置、旋转和缩放
• 颜色：与模型材质混合的颜色
• 自定义数据：可由自定义材质使用的数据

Qt 提供了三个继承自 Instancing 的 Qml 类型：

• InstanceList 可枚举所有实例，并允许绑定到每个实例的属性。
• RandomInstancing 提供了一种在定义的范围内生成随机实例的方法，以便快速测试和原型设计。
• FileInstancing 从外部文件读取实例表。

实例化示例演示了如何使用 QML API 创建场景。

其他类型的实例表可以通过在 C++ 中继承 `QQuick3DInstancing` 来定义。例如，particle system 在内部使用其专有的实例表，可通过 `ModelParticle3D.instanceTable` 访问。

通过编写自定义着色器代码，可以利用实例化来控制其他属性，例如基于物理的渲染变量、骨骼动画权重、变形，或是任何可以通过自定义材质表达的内容。实例化表中的自定义数据由四个浮点数组成。

自定义实例化示例演示了如何将自定义材质与用 C++ 实现的实例表相结合。

Alpha 混合与实例化

正确的Alpha混合要求半透明物体按从后到前的顺序进行渲染。因此，QtQuick3D 会分别对不透明和半透明物体进行排序，并按正确顺序进行渲染。然而，在启用实例化且未开启“depth-sorting ”的情况下，GPU将按照实例表中指定的顺序渲染实例。 出于性能考虑，QtQuick3D 默认不会对表进行排序，因为当实例数量较大时，排序可能需要很长时间。这意味着，如果半透明实例彼此重叠，或者与其他半透明对象重叠，渲染结果可能会出现异常。通常，当不透明度较低时，这种错误不太明显。

完全不透明的对象以及不相互重叠的半透明对象始终会正确渲染，因为 Qt 会使用深度缓冲区测试来避免在不透明对象背后进行绘制。 然而，缺乏排序可能会对不透明对象的性能产生潜在影响：它们可能无法按最优顺序渲染，这意味着同一个像素可能会被写入多次，从而增加片段着色器的计算负担。

渲染器不会检查实例表的内容，因此当实例表包含半透明的 alpha 值时，必须显式指定：将hasTransparency 属性设置为true ，以确保渲染器启用 alpha 混合。这适用于所有实例：即使是完全不透明的实例，也会在不进行深度测试的情况下被渲染，这可能会导致可见的错误。

可以通过设置模型的depth bias 来调整其相对于场景中其他对象的渲染顺序。

变换与实例化

每个实例在实例表中都有自己的变换。该变换会与实例化模型上的变换相结合。这稍显复杂，因为存在多种使用场景：

• 对模型执行变换，该变换将应用于每个单独的实例。这使得动画渲染成本较低，例如可以一次性旋转所有实例，而无需修改实例表。
• 一次性对整个实例组进行变换。
• 对模型层次结构进行实例化。

为了支持所有这些情况，模型的变换被分为两部分：本地实例变换和全局实例变换。从概念上讲，实例化的过程如下：

• 首先，根据本地实例变换对模型进行变换。
• 然后，通过应用实例表变换来计算每个实例
• 最后，根据全局实例变换对整个实例化对象组进行变换。

默认情况下，模型的本地实例变换由模型的缩放和旋转组成，其余部分则归入全局实例变换。

这可以通过设置模型的 `instanceRoot ` 属性来控制。该属性定义了实例坐标系的原点。最常见的应用场景是实例化模型层次结构。例如，一个绕立方体运行的球体：

Model {
    id: cube
    instancing: someInstanceTable
    source: "#Cube"
    materials: DefaultMaterial { diffuseColor: "lightgray" }
    Node {
        Model {
            source: "#Sphere"
            instanceRoot: cube
            instancing: cube.instancing
            x: 150
            materials: DefaultMaterial { diffuseColor: "gray" }
        }
        NumberAnimation on eulerRotation.y {
            from: 0
            to: 360
            duration: 4000
            loops: Animation.Infinite
        }
    }
}

必须设置instanceRoot ，才能指定球体实例应被定位为立方体的一部分。层级结构中的每个模型仍需指定instancing 属性：在正常情况下，它们都应设置为同一个Instancing 对象。

instanceRoot 在对单个模型进行实例化时也可以使用该属性。例如，一个绕偏心点旋转的圆柱体：

 Node {
    id: parentNode
    Model {
        source: "#Cylinder"
        instanceRoot: parentNode
        instancing: anotherInstanceTable
        x: 25
        materials: DefaultMaterial { diffuseColor: "white" }
    }
    NumberAnimation on eulerRotation.y {
        from: 0
        to: 360
        duration: 1000
        loops: Animation.Infinite
    }
}

选择与实例化

Picking 是一种通过用户界面交互选择模型的机制。在实例化渲染中，同一模型存在多个表示形式，因此选择结果将包含一个instance index 。通过在基模型上设置pickable 属性，即可启用实例化选择功能。