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OpenGL Geometry Instancing

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This article has been updated with new demos and new GI technique. Read the complete article here: OpenGL Geometry Instancing: GeForce GTX 480 vs Radeon HD 5870.


[French]
Voici une petite démo qui utilise les techniques d’instancing (instancing simple, pseudo-instancing et geometry instancing(ou GI)) pour effectuer le rendu d’un anneau composé de 10000 petites sphères.
La démo est livrée en 5 versions:

  • chaque sphère est composée de 1800 triangles (18 millions de triangles pour l’anneau entier)
  • chaque sphère est composée de 800 triangles (8 millions de triangles pour l’anneau entier)
  • chaque sphère est composée de 200 triangles (2 millions de triangles pour l’anneau entier)
  • chaque sphère est composée de 72 triangles (720000 triangles pour l’anneau entier)
  • chaque sphère est composée de 18 triangles (180000 triangles pour l’anneau entier)

J’ai ajouté au dernier moment un extra: une version avec 20000 instances de 5000 triangles chacune soit 100 millions de polygones (fichier Demo_Instancing_100MTriangles_20kInstances.exe).
[/French]

[English]
This demo uses instancing techniques (simple instancing, pseudo-instancing and geometry instancing(or GI)) to render a ring made of 10,000 small spheres. The demo is delivered in 5 versions:

  • each sphere is made of 1,800 triangles (18 millions triangles for the whole ring)
  • each sphere is made of 800 triangles (8 millions triangles for the whole ring)
  • each sphere is made of 200 triangles (2 millions triangles for the whole ring)
  • each sphere is made of 72 triangles (720,000 triangles for the whole ring)
  • each sphere is made of 18 triangles (180,000 triangles for the whole ring)

I added in the last moment a bonus: a 20,000 instances version, each instance made of 5,000 triangles. We get the monstruous count of 100 millions triangles (file Demo_Instancing_100MTriangles_20kInstances.exe).
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DOWNLOAD

[French]
Il y a plusieurs techniques d’instancing qui sont utilisées et chaque technique est accessible avec une des touches F1 à F6.

  • F1: instancing simple avec camera frustum culling: il y a une seule source de géométrie (un mesh) et elle est rendu pour chaque instance. Le calcul de la matrice de transformation est fait sur le CPU ainsi que le test de clipping avec la camera. Le rendu OpenGL utilise la fonction glDrawElements().
  • F2: instancing simple SANS camera frustum culling: il y a une seule source de géométrie (un mesh) et elle est rendu pour chaque instance. Le calcul de la matrice de transformation est fait sur le CPU mais il n’y a plus de test de clipping avec la camera. Le rendu OpenGL utilise la fonction glDrawElements().
  • F3: pseudo-instancing lent: il y a une seule source de géométrie (un mesh) et elle est rendu pour chaque instance. Le calcul de la matrice de transformation est maintenant effectué sur le GPU. Le passage des paramètres pour chaque instance se fait avec des variables uniformes. Il n’y a pas de test de clipping avec la camera. Le rendu OpenGL utilise la fonction glDrawElements().
  • F4: pseudo-instancing rapide: il y a une seule source de géométrie (un mesh) et elle est rendu pour chaque instance. Le calcul de la matrice de transformation est maintenant effectué sur le GPU. Le passage des paramètres pour chaque instance se fait avec des attributs de vertex persistants (comme les coordonnées de textures ou la couleur). C’est cette technique qui
    a été mise en avant par NVIDIA avec son whitepaper: GLSL Pseudo-Instancing. Il n’y a pas de test de clipping avec la camera. Le rendu OpenGL utilise la fonction glDrawElements().
  • F5: Geometry Instancing: c’est le vrai instancing hardware. Il y a une seule source de géométrie (un mesh) et le rendu se fait par lots (ou batchs) de 400 instances par draw call. Le rendu complet de l’anneau ne nécessite que 25 draw-calls au lieu de 10000. Le calcul de la matrice de transformation est effectué sur le GPU. Le passage des paramètres pour chaque batch se fait avec des tableaux de variables uniformes. Il n’y a pas de test de clipping avec la camera. Le rendu OpenGL utilise la fonction glDrawElementsInstancedEXT(). Actuellement, seules les cartes NVIDIA GeForce 8 (et sup.) supportent cette fonction.
  • F6: Geometry Instancing avec attributs de vertex persistants: c’est le geometry instancing hardware couplé avec le passage des paramètres par les attributs de vertex persistants. Mais le nombre d’attributs de vertex persistants est très limité. Au maximum j’ai reussi à rendre 4 instances par draw-call. Mais étrangement, 2 instances par draw-call donne de meilleurs résultats. Dans ce cas, le rendu complet de l’anneau nécessite que 5000 draw-calls au lieu des 10000. Le calcul de la matrice de transformation est effectué sur le GPU. Il n’y a pas de test de clipping avec la camera. Le rendu OpenGL utilise la fonction glDrawElementsInstancedEXT(). Actuellement, seules les cartes NVIDIA GeForce 8 (et sup.) supportent cette fonction.

[/French]

[English]
Several instancing techniques are used and you can select them with F1 to F6 keys.

  • F1: simple instancing with camera frustum culling: there is one source for geometry (a mesh) and it’s rendered for each instance. The tranformation matrix calculation is done on the CPU as well as the camera frustum test. OpenGL rendering uses the glDrawElements() function.
  • F2: simple instancing without camera frustum culling: there is one source for geometry (a mesh) and it’s rendered for each instance. The tranformation matrix calculation is done on the CPU but there is no longer camera frustum test. OpenGL rendering uses the glDrawElements() function.
  • F3: slow pseudo-instancing: there is one source for geometry (a mesh) and it’s rendered for each instance. Now the tranformation matrix calculation is done on the GPU and per-instance data are passed via uniform variables. There is no camera frustum test. OpenGL rendering uses the glDrawElements() function.
  • F4: pseudo-instancing: there is one source for geometry (a mesh) and it’s rendered for each instance. The tranformation matrix calculation is done on the GPU and per-instance data are passed via persistent vertex attributes (like texture coordinates or color). This technique has been shown by NVIDIA in the following whitepaper: GLSL Pseudo-Instancing. There is no camera frustum test. OpenGL rendering uses the glDrawElements() function.
  • F5: geometry instancing: it’s the real hardware instancing. There is one source for geometry (a mesh) and rendering is done by batchs of 400 instances per draw-call. The whole rendering of the ring requires 25 draw-calls instead of 10,000. The tranformation matrix calculation is done on the GPU and per-batch data is passed via uniform arrays. There is no camera frustum test. OpenGL rendering uses the glDrawElementsInstancedEXT() function. Currently, only NVIDIA GeForce 8 (and higher) support this function.
  • F6: geometry instancing with persistant vertex attributes: it’s the hardware instancing coupled with the transmission of parameters is done via the persistent vertex attributes. But the number of persistent vertex attributes is very limited. The best I did is to render 4 instances per draw-call. But oddly, I got the best results with 2 instances per draw-call. In that case, the rendering of whole ring requires 5000 draw-calls. The tranformation matrix calculation is done on the GPU and per-batch data is passed via uniform arrays. There is no camera frustum test. OpenGL rendering uses the glDrawElementsInstancedEXT() function. Currently, only NVIDIA GeForce 8 (and higher) support this function.

Ok now, let’s see some results with a NVIDIA GeForce 8800 GTX and an ATI Radeon HD 3870. Both cards have been tested with an AMD 64 3800+.
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18 millions triangles – 1800 tri/instance

NVIDIA GeForce 8800 GTX – Forceware 169.38 XP32

  • F1: 223MTris/sec – 13FPS
  • F2: 223MTris/sec – 13FPS
  • F3: 223MTris/sec – 13FPS
  • F4: 223MTris/sec – 13FPS
  • F5: 223MTris/sec – 13FPS
  • F6: 171MTris/sec – 10FPS

ATI Radeon HD 3870 – Catalyst 8.2 XP32

  • F1: 429MTris/sec – 25FPS
  • F2: 463MTris/sec – 27FPS
  • F3: 446MTris/sec – 26FPS
  • F4: 274MTris/sec – 16FPS
  • F5: mode not available
  • F6: mode not available

8 millions de triangles – 800 tri/instance

NVIDIA GeForce 8800 GTX – Forceware 169.38 XP32

  • F1: 190MTri/sec – 25FPS
  • F2: 190MTri/sec – 25FPS
  • F3: 205MTri/sec – 27FPS
  • F4: 213MTri/sec – 28FPS
  • F5: 205MTri/sec – 27FPS
  • F6: 152MTri/sec – 20FPS

ATI Radeon HD 3870 – Catalyst 8.2 XP32

  • F1: 251MTris/sec – 33FPS
  • F2: 236MTris/sec – 31FPS
  • F3: 297MTris/sec – 39FPS
  • F4: 251MTris/sec – 33FPS
  • F5: mode not available
  • F6: mode not available

2 millions de triangles – 200 tri/instance

NVIDIA GeForce 8800 GTX – Forceware 169.38 XP32

  • F1: 47MTri/sec – 25FPS
  • F2: 47MTri/sec – 25FPS
  • F3: 57MTri/sec – 30FPS
  • F4: 131MTri/sec – 69FPS
  • F5: 167MTri/sec – 88FPS
  • F6: 148MTri/sec – 78FPS

ATI Radeon HD 3870 – Catalyst 8.2 XP32

  • F1: 47MTris/sec – 25FPS
  • F2: 59MTris/sec – 31FPS
  • F3: 74MTris/sec – 39FPS
  • F4: 112MTris/sec – 59FPS
  • F5: mode not available
  • F6: mode not available

720,000 triangles – 72 tri/instance

NVIDIA GeForce 8800 GTX – Forceware 169.38 XP32

  • F1: 17MTri/sec – 25FPS
  • F2: 17MTri/sec – 25FPS
  • F3: 20MTri/sec – 30FPS
  • F4: 47MTri/sec – 69FPS
  • F5: 60MTri/sec – 88FPS
  • F6: 53MTri/sec – 78FPS

ATI Radeon HD 3870 – Catalyst 8.2 XP32

  • F1: 17MTris/sec – 25FPS
  • F2: 21MTris/sec – 31FPS
  • F3: 26MTris/sec – 39FPS
  • F4: 40MTris/sec – 59FPS
  • F5: mode not available
  • F6: mode not available

180000 triangles – 18 tri/instance

NVIDIA GeForce 8800 GTX – Forceware 169.38 XP32

  • F1: 4MTri/sec – 25FPS
  • F2: 4MTri/sec – 25FPS
  • F3: 5MTri/sec – 30FPS
  • F4: 11MTri/sec – 69FPS
  • F5: 15MTri/sec – 89FPS
  • F6: 13MTri/sec – 79FPS

ATI Radeon HD 3870 – Catalyst 8.2 XP32

  • F1: 4MTris/sec – 25FPS
  • F2: 5MTris/sec – 31FPS
  • F3: 6MTris/sec – 39FPS
  • F4: 10MTris/sec – 59FPS
  • F5: mode not available
  • F6: mode not available

[French]
Analyse rapide des resultats:

  • nous comprenons maintenant pourquoi NVIDIA a appellé “Pseudo-Instancing” la technique utilisant les attributs persistants de vertex (key F4). La fonction glDrawElements() d’OpenGL est extremement rapide et optimisée et les attrubuts persistants de vertex nécessitent moins de traitement que les variables uniformes pour être passés au vertex shader. Les deux couplés ensemble donnent ce boost de performance.
  • le bénéfice du vrai hardware geometry instancing est principalement visible losqu’il y a peu de triangles par instance.
  • lorsqu’il y a beacoup de triangles par instance (1800), l’impémentation matérielle de glDrawElements() semble être plus efficace (près de deux fois!) sur le GPU RV670 que sur le G80.

Conclusion

Au vu des résultats, le hardware geometry instancing n’est pas la kill-feature que j’attendais. Je trouve cela très curieux car la différence entre 10000 render-calls avec glDrawElements et 25 render-calls avec glDrawElementsInstancedEXT n’est pas très importante. On dirait que la gestion de l’instancing (variable gl_InstanceID dans le vertex shader) fait perdre beaucoup de temps. Je trouve aussi dommage qu’ATI n’ait pas encore pris le temps d’implémenter le geomtry instancing dans les pilotes Catalyst. Je serais très curieux de tester le GI hardware avec un RV670.
[/French]

[English]
Quick results analysis:

  • we now understand why NVIDIA has called the technique using persistent vertex attributes “Pseudo-Instancing” (key F4). OpenGL glDrawElements() function is extremly fastand persistent vertex attributes require less overhead than uniforms to be passed to vertex shader. Both coupled together give this performance boost.
  • benefit of real hardware geometry instancing is mostly visible with few triangles per instance.
  • when there are many triangles per instance (1,800), the hardware implementation of glDrawElements() seems to be more efficient (twice!) on RV670 GPU than on G80.

Conclusion

From the results, hardware geometry instancing isn’t the kill-feature I expected. I find that very weird since the différence between 10000 render-calls with glDrawElements and 25 render-calls with glDrawElementsInstancedEXT is not verx important. Seems the instancing management (gl_InstanceID variable in the vertex shader) is a GPU-cycle eater!What a pity ATI hasn’t implemented yet geometry instancing in the Catalyst drivers. I’d be very curious to test hardware GI with a RV670.
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Written by JeGX

March 16th, 2008 at 3:40 pm

10 Responses to 'OpenGL Geometry Instancing'

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  1. [...] Some test made that shows when to use instancing and when not http://www.ozone3d.net/blogs/lab/?p=87 [...]

  2. I have a GTX 280 and the F5,F6 options throw up the dialog about needing Gforce 8+ hardware.
    just FYI..

    Aw

    21 Apr 09 at 5:20 pm

  3. yes, the way the capability is checked is based on old NVIDIA drivers. Start GPU Caps Viewer GI demo to see the difference ;)

    JeGX

    21 Apr 09 at 5:27 pm

  4. Thanks for the information! The tests you have performed give important insight about the relationship between the batch sizes and the instancing techniques.

    Delta

    29 Jun 09 at 3:39 pm

  5. the download link of the DemoPack seems broken… could you fix/reupload it? thnx :-)

    Joh

    24 Aug 09 at 9:17 am

  6. Hi.

    You wrote:
    “I find that very weird since the différence between 10000 render-calls with glDrawElements and 25 render-calls with glDrawElementsInstancedEXT is not verx important.”

    But have you also considered the CPU-Overhead. The impact might not be very big due to GPU work, but it should definitely on CPU side! Have you checked this too?
    I mean in terms of CPU/GPU boundness.

    Anyway, good work, this is quite interesting.

    Btw, I got similar results with texture buffer objects.

    Alex

    24 Sep 09 at 1:22 pm

  7. Hi

    The download file isn’t available anymore.

    Alessandro

    30 Dec 09 at 12:08 pm

  8. Link to demo is not working :(

    marcin

    19 Feb 10 at 12:12 pm

  9. Hi,

    The download files are not available….

    lookup

    28 May 10 at 9:04 am

  10. [...] for updating the OpenGL Geometry Instancing demo pack updated I released more than 2 years ago on my infamous lab. The first version of the demo pack has been developed and tested with a GeForce 8800 GTX and a [...]

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