Unity3D学习笔记6——GPU实例化(1)

1. 概述

在之前的文章中说到，一种材质对应一次绘制调用的指令。即使是这种情况，两个三维物体使用同一种材质，但它们使用的材质参数不一样，那么最终仍然会造成两次绘制指令。原因在于，图形工作都是一种状态机，状态发生了变化，就必须进行一次绘制调用指令。

GPU实例化用于解决这样的问题：对于像草地、树木这样的物体，它们往往是数据量很大，但同时又只存在微小的差别如位置、姿态、颜色等。如果像常规物体那样进行渲染，所使用的绘制指令必然很多，资源占用必然很大。一个合理的策略就是，我们指定一个需要绘制物体对象，以及大量该对象不同的参数，然后根据参数在一个绘制调用中绘制出来——这就是所谓的GPU实例化。

2. 详论

首先，我们创建一个空的GameObject对象，并且挂接如下脚本：

using UnityEngine;

//实例化参数
public struct InstanceParam
{
      
    public Color color;
    public Matrix4x4 instanceToObjectMatrix;        //实例化到物方矩阵
}

[ExecuteInEditMode]
public class Note6Main : MonoBehaviour
{
    
    public Mesh mesh;
    public Material material;

    int instanceCount = 200;
    Bounds instanceBounds;

    ComputeBuffer bufferWithArgs = null;
    ComputeBuffer instanceParamBufferData = null;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
    
        instanceBounds = new Bounds(new Vector3(0, 0, 0), new Vector3(100, 100, 100));

        uint[] args = new uint[5] {
     0, 0, 0, 0, 0 };
        bufferWithArgs = new ComputeBuffer(1, args.Length * sizeof(uint), ComputeBufferType.IndirectArguments);
        int subMeshIndex = 0;
        args[0] = mesh.GetIndexCount(subMeshIndex);
        args[1] = (uint)instanceCount;
        args[2] = mesh.GetIndexStart(subMeshIndex);
        args[3] = mesh.GetBaseVertex(subMeshIndex);
        bufferWithArgs.SetData(args);
        
        InstanceParam[] instanceParam = new InstanceParam[instanceCount];

        for (int i = 0; i < instanceCount; i++)
        {
       
            Vector3 position = Random.insideUnitSphere * 5;        
            Quaternion q =  Quaternion.Euler(Random.Range(0.0f, 90.0f), Random.Range(0.0f, 90.0f), Random.Range(0.0f, 90.0f));
            float s = Random.value;
            Vector3 scale = new Vector3(s, s, s);

            instanceParam[i].instanceToObjectMatrix = Matrix4x4.TRS(position, q, scale);
            instanceParam[i].color = Random.ColorHSV();
        }

        int stride = System.Runtime.InteropServices.Marshal.SizeOf(typeof(InstanceParam));
        instanceParamBufferData = new ComputeBuffer(instanceCount, stride);
        instanceParamBufferData.SetData(instanceParam);
        material.SetBuffer("dataBuffer", instanceParamBufferData);
        material.SetMatrix("ObjectToWorld", Matrix4x4.identity);
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
            
        if(bufferWithArgs != null)
        {
             
            Graphics.DrawMeshInstancedIndirect(mesh, 0, material, instanceBounds, bufferWithArgs, 0);
        }        
    }

    private void OnDestroy()
    {
    
        if (bufferWithArgs != null)
        {
    
            bufferWithArgs.Release();
        }
        
        if(instanceParamBufferData != null)
        {
    
            instanceParamBufferData.Release();
        }        
    }
}

这个脚本的意思是，设置一个网格和一个材质，通过随机获取的实例化参数，渲染这个网格的多个实例：

GPU实例化的关键接口是Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()。Graphics对象的一系列接口是Unity的底层API，它是需要每一帧调用的。Graphics.DrawMeshInstanced()也可以实例绘制，但是最多只能绘制1023个实例。所以还是Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()比较好。

实例化参数InstanceParam和GPU缓冲区参数bufferWithArgs都是存储于一个ComputeBuffer对象中。ComputeBuffe定义了一个GPU数据缓冲区对象，能够映射到Unity Shader中的 StructuredBuffer中。实例化参数InstanceParam存储了每个实例化对象的位置，姿态、缩放以及颜色信息，通过Material.SetBuffer()，传递到着色器中：

Shader "Custom/SimpleInstanceShader"
{
    
    Properties
    {
            
    }
    SubShader
    {
    
		Tags{
    "Queue" = "Geometry"}

		Pass
		{
    	
			CGPROGRAM
			#include "UnityCG.cginc" 
			#pragma vertex vert 
			#pragma fragment frag
			#pragma target 4.5

			sampler2D _MainTex;
			
			float4x4 ObjectToWorld;
	
			struct InstanceParam
			{
    			
				float4 color;
				float4x4 instanceToObjectMatrix;
			};
	
		#if SHADER_TARGET >= 45 
			StructuredBuffer<InstanceParam> dataBuffer;
		#endif
		
			//顶点着色器输入
			struct a2v
			{
    
				float4  position : POSITION;
				float3  normal: NORMAL;
				float2  texcoord : TEXCOORD0;	
 			};

			//顶点着色器输出
			struct v2f
			{
    
				float4 position: SV_POSITION;
				float2 texcoord: TEXCOORD0;
				float4 color: COLOR;
			};

			v2f vert(a2v v, uint instanceID : SV_InstanceID)
			{
    
			#if SHADER_TARGET >= 45
				float4x4 instanceToObjectMatrix = dataBuffer[instanceID].instanceToObjectMatrix;
				float4 color = dataBuffer[instanceID].color;
			#else
				float4x4 instanceToObjectMatrix = float4x4(1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1);
				float4 color = float4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
			#endif

				float4 localPosition = mul(instanceToObjectMatrix, v.position);
				//float4 localPosition = v.position;
				float4 worldPosition = mul(ObjectToWorld, localPosition);						

				v2f o;
				//o.position = UnityObjectToClipPos(v.position);
				o.position = mul(UNITY_MATRIX_VP, worldPosition);		
				o.texcoord = v.texcoord;
				o.color = color;

				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target 
			{
    												
				return i.color;					
			}

            ENDCG
        }
    }

	Fallback "Diffuse"
}

这是一个改进自《Unity3D学习笔记3——Unity Shader的初步使用》的简单实例化着色器。实例化绘制往往位置并不是固定的，这意味着Shader中获取的模型矩阵UNITY_MATRIX_M一般是不正确的。因而实例化绘制的关键就在于对模型矩阵的重新计算，否则绘制的位置是不正确的。实例化的数据往往位置比较接近，所以可以先传入一个基准位置(矩阵ObjectToWorld)，然后实例化数据就可以只传入于这个位置的相对矩阵（instanceToObjectMatrix）。

最终的运行结果如下，绘制了大量不同位置、不同姿态、不同大小以及不同颜色的胶囊体，并且性能基本上不受影响。

3. 参考

1. 《Unity3D学习笔记3——Unity Shader的初步使用》
2. Graphics.DrawMeshInstanced

具体实现代码