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OpenGL Geometry Instancing

March 16, 2008 JeGX 10 Comments

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).
[/English]

DOWNLOAD

OpenGL Instancing DemoPack – (2676k)

[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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