Qt使用OpenGL进行多线程离屏渲染

原创

躬行之zhi 2022-06-26 02:40:54 ©著作权

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基于Qt Widgets的Qt程序，控件的刷新默认状况下都是在UI线程中依次进行的，换言之，各个控件的QWidget::paintEvent方法会在UI线程中串行地被调用。若是某个控件的paintEvent很是耗时（等待数据时间+CPU处理时间+GPU渲染时间），会致使刷新帧率降低，界面的响应速度变慢。git

假如这个paintEvent耗时的控件没有使用OpenGL渲染，彻底使用CPU渲染。这种状况处理起来比较简单，只须要另外开一个线程用CPU往QImage里面渲染，当主线程调用到这个控件的paintEvent时，再把渲染好的QImage画出来就能够了，单纯绘制一个QImage仍是很快的。github

若是这个paintEvent耗时的控件使用了OpenGL渲染，状况会复杂一些，由于想要把OpenGL渲染过程搬到另一个线程中并非直接把OpenGL调用从UI线程搬到渲染线程就能够的，是须要作一些准备工做的。另外，UI线程如何使用渲染线程的渲染结果也是一个须要思考的问题。web

以绘制一个迭代了15次的Sierpinski三角形为例，它总共有3^15=14348907个三角形，在个人MX150显卡上绘制一次须要30ms左右的时间。所以若是我在UI线程渲染这些顶点的话，UI线程的刷新帧率就会掉到30帧左右。如今咱们来看一下如何在另外一个线程中渲染这些三角形。demo仓库地址：https:///im-red/offscreen_render缓存

软硬件环境

CPU：Intel® Core™ i5-8250U CPU @ 1.60GHz多线程

GPU：NVIDIA GeForce MX150（Driver：388.19）svg

OS：Microsoft Windows 10 Home 10.0.18362性能

Compiler：MSVC 2017测试

Optimization flag：O2this

Qt version：5.12.1spa

OpenGL version：4.6.0

概述

有如下主要的类或方法：

GLWidget

这个类在UI线程中使用，继承了QOpenGLWidget，负责将渲染线程渲染结果绘制到屏幕上。

Renderer

这个类在渲染线程中使用，负责将三角形渲染到离屏framebuffer中。

RenderThread

渲染线程管理类，负责初始化渲染线程OpenGL的context。

TextureBuffer

纹理缓存类，负责将Renderer渲染好的图像缓存到纹理中，供UI线程绘制使用。

RenderThread::run

渲染线程的例程，负责调用Renderer的方法渲染图像，在Renderer渲染好一帧图像后将图像保存在TextureBuffer中。

context

OpenGL须要context来保存状态，context虽然能够跨线程使用，但没法在多个线程中同时使用，在任意时刻，只能绑定在一个线程中。所以咱们须要为渲染线程建立一个独立的context。

数据共享

UI线程如何访问渲染线程的渲染结果。有两种思路：

将渲染结果读进内存，生成QImage，再传给UI线程。这种方式的优势是实现简单。缺点则是性能可能差一些，把显存读进内存是一个开销比较大的操做。
将渲染结果保存到纹理中，UI线程绑定纹理绘制到屏幕上。这种方式的优势是性能较方法1好。缺点是为了让两个线程可以共享纹理，须要作一些配置。

在此，咱们选择的是方法2。

初始化渲染线程

了解到上面的这些信息后，咱们来看一下如何初始化渲染线程。

因为须要UI线程可以和渲染线程共享数据，须要调用QOpenGLContext::setShareContext来设置，而这个方法又须要在QOpenGLContext::create方法前调用。UI线程context的QOpenGLContext::create方法调用咱们是没法掌握的，所以须要渲染线程context来调用QOpenGLContext::setShareContext。因为调用时须要确保UI线程context已经初始化，所以在GLWidget::initializeGL中初始化渲染线程比较好，相关代码以下：

void GLWidget::initializeGL()
{
    initRenderThread();
    ...
}
...
void GLWidget::initRenderThread()
{
    auto context = QOpenGLContext::currentContext();
    auto mainSurface = context->surface();

    auto renderSurface = new QOffscreenSurface(nullptr, this);
    renderSurface->setFormat(context->format());
    renderSurface->create();

    context->doneCurrent();
    m_thread = new RenderThread(renderSurface, context, this);
    context->makeCurrent(mainSurface);

    connect(m_thread, &RenderThread::imageReady, this, [this](){
        update();
    }, Qt::QueuedConnection);
    m_thread->start();
}
...
RenderThread::RenderThread(QSurface *surface, QOpenGLContext *mainContext, QObject *parent)
    : QThread(parent)
    , m_running(true)
    , m_width(100)
    , m_height(100)
    , m_mainContext(mainContext)
    , m_surface(surface)
{
    m_renderContext = new QOpenGLContext;
    m_renderContext->setFormat(m_mainContext->format());
    m_renderContext->setShareContext(m_mainContext);
    m_renderContext->create();
    m_renderContext->moveToThread(this);
}
...

在GLWidget::initRenderThread中，咱们首先得到UI线程的context，以及其关联的mainSurface。而后为渲染线程建立了一个QOffscreenSurface，将其格式设置为与UI线程context相同。而后调用doneCurrent取消UI线程context与mainSurface的关联，这是为了可以使UI线程的context和渲染线程的context设置共享关系。待渲染线程初始化完成后，再将UI线程context与mainSurface进行关联。而后设置一个链接用于接收渲染线程的imageReady信号。最后启动渲染线程开始渲染。

在RenderThread::RenderThread中，首先初始化渲染线程的context，因为RenderThread::RenderThread是在UI线程中调用的，还要调用moveToThread将其移到渲染线程中。

渲染线程例程

// called in render thread
void RenderThread::run()
{
    m_renderContext->makeCurrent(m_surface);

    TextureBuffer::instance()->createTexture(m_renderContext);

    Renderer renderer;

    while (m_running)
    {
        int width = 0;
        int height = 0;
        {
            QMutexLocker lock(&m_mutex);
            width = m_width;
            height = m_height;
        }
        renderer.render(width, height);
        TextureBuffer::instance()->updateTexture(m_renderContext, width, height);
        emit imageReady();
        FpsCounter::instance()->frame(FpsCounter::Render);
    }

    TextureBuffer::instance()->deleteTexture(m_renderContext);
}

渲染线程开始渲染时，首先绑定context和初始化TextureBuffer。而后在循环中重复执行渲染-保存纹理的循环

离屏渲染

其初始化在Renderer::init中进行，渲染在Renderer::render中进行，各种OpenGL基础教程中都有对离屏渲染的相关介绍和分析，此处再也不赘述。

保存纹理

// called in render thread
void TextureBuffer::updateTexture(QOpenGLContext *context, int width, int height)
{
    Timer t("ImageBuffer::updateTexture");
    QMutexLocker lock(&m_mutex);

    auto f = context->functions();
    f->glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
    f->glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_texture);
    f->glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, width, height, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, nullptr);
    f->glCopyTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, 0, 0, width, height, 0);
    f->glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);
    f->glFinish();
}

在RenderThread::run中调用TextureBuffer::updateTexture将使用glCopyTexImage2D将渲染线程渲染结果保存到纹理中，在Qt中OpenGL调用都须要经过QOpenGLFunction对象，所以将渲染线程的QOpenGLContext对象传进来，能够得到其默认的QOpenGLFunction对象。

因为咱们只使用了一个纹理来缓存图像，若是渲染线程渲染得比较快的话，有些帧就会来不及渲染被丢弃。固然你也能够改程序阻塞渲染线程避免被阻塞。

绘制纹理

void GLWidget::paintGL()
{
    Timer t("GLWidget::paintGL");
    glEnable(GL_TEXTURE_2D);

    m_program->bind();

    glBindVertexArray(m_vao);

    if (TextureBuffer::instance()->ready())
    {
        TextureBuffer::instance()->drawTexture(QOpenGLContext::currentContext(), sizeof(vertices) / sizeof(float) / 4);
    }

    glBindVertexArray(0);

    m_program->release();
    glDisable(GL_TEXTURE_2D);

    FpsCounter::instance()->frame(FpsCounter::Display);
}
...
// called in main thread
void TextureBuffer::drawTexture(QOpenGLContext *context, int vertextCount)
{
    Timer t("ImageBuffer::drawTexture");
    QMutexLocker lock(&m_mutex);

    auto f = context->functions();

    f->glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, m_texture);

    f->glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
    f->glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

    f->glActiveTexture(GL_TEXTURE0);

    f->glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, vertextCount);
    f->glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 0);

    //f->glFinish();
}

在GLWidget::paintGL中调用TextureBuffer::drawTexture来绘制缓存的纹理。

性能

上面所作的这一切，可以提升性能吗？很遗憾，答案是“不必定”。就这个demo而言，渲染过程几乎彻底不须要等待数据和CPU处理（除了初始化时须要CPU计算），不断使用GPU进行渲染，这致使GPU占用率几乎达到了100%，成为了一个瓶颈。当主线程进行OpenGL调用时，极可能会由于正在处理渲染线程的OpenGL调用而被阻塞，致使帧率降低。使用NVIDIA Nsights Graphics实测结果以下：

Qt使用OpenGL进行多线程离屏渲染_ui线程 Qt使用OpenGL进行多线程离屏渲染_2d_02
第一幅图是刚打开程序时的帧率，基本稳定在60帧，第二幅图是运行一段时间后的帧率，时常跌到30帧。就平均帧率而言，性能较单线程渲染仍是有提高的。至于为何运行一段时间后帧率会降低，猜测是GPU温度升高被降频致使的，使用GPU-Z观察GPU时钟频率能够验证这一猜测。