GPU Skinning 结合 Instanced 高效实现大量单位动画

Posted 2021-03-24 smallrainf

GPU Skinning 与 Instance

蒙皮动画

计算骨骼信息

蒙皮

GPU Skinning

CPU Skinning 与 GPU Skinning 实现方式

Skinning 类型	优点
CPU Skinning	各平台相似稳定
	无 CPU/GPU 传输损耗
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GPU Skinning	多核并行计算
	访存速度更快
	浮点运算能力更高

Unity GPU Skinning 与 自定义 GPU Skinning 实现方式

目前 Unity 拥有一套 GPU Skinning 的流程，通过勾选 Project Setting 中的 GPU Skinning 选项即可。在 GPU 要支持 Texture Float 格式（ Sample2D_float ）下，通过 Skinning Mesh Renderer 进行 Transform feedback 结合 Geometry Shader 对 Vertex Buffer 重写来实现。

Skinning 类型	优点
Unity GPU Skinning	需要 OpenGL ES 3.0
	CPU 计算骨骼信息
	GPU 蒙皮
	支持 Unity 原生工具链
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自定义 GPU Skinning	需要 OpenGL ES 2.0
	不需要计算骨骼信息
	GPU 蒙皮

自定义 GPU Skinning

总的来说，GPU Skinning 分成两部分：

• 第一部分通过离线采样过程，把对应骨骼信息和动画矩阵烘焙在一张 Texture 上

• 第二部分通过运行蒙皮过程，通过 Shader 实时计算顶点坐标。

(1)离线采样过程

GPU Skinning Sampler

• Animation
• Mesh
• Material
• Texture

其中 GPU Skinning Animation 数据比较复杂，包含骨骼信息和动画矩阵。

仔细观察，之前介绍 Texture 上已经存在骨骼信息和动画矩阵，这里 Animation 包括多余动画矩阵数据，主要是为了实现在 CPU 端获取骨骼点实时位置，用于实现类似特效挂点之类。

(2)运行蒙皮过程

在 GPU 端获取当前动画帧和 Texture 上的动画矩阵来计算顶点坐标。

GPU Instance

使用少量 DrawCall 一次性绘制大量相同 Mesh 且具有不同参数的对象。

DrawMesh 与 DrawMeshInstanced 实现方式

Instance 接口	优点
DrawMesh	简单
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DrawMeshInstanced	材质改变时候可以合批
	深度排序时候可以合批
	一次最多绘制 1023 个

MaterialPropertyBlock

MaterialPropertyBlock 相对于修改 Material.SetXXX 性能更优，并通过避免调用 Renderer.material 导致产生新 Material，从而节省内存。

• 针对 [Per-Renderer-Data]
• 性能较好
• 新的 DrawCall

UWA https://blog.uwa4d.com/archives/1983.html

Shader

实现 Instance 通常需要三个步骤：

• 定义数据缓冲区

UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(name)

UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _Property)

UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(name)

• 定义 SV_InstanceID

UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID

UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v)

• 根据 ID 访问缓冲区数据

UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(name, property)