Unity3D学习笔记6——GPU实例化(1)
目录
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
分类: Unity3D
