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(相關(guān)資料圖)

網(wǎng)上有多種通過GPU實現(xiàn)骨骼動畫的實例化繪制方法，本文介紹的是其中的一種：將頂點信息逐幀寫入紋理后，在頂點著色器中通過讀取動畫紋理，提取頂點位置并變換，最終實現(xiàn)角色動畫的方法。

本文將簡述其實現(xiàn)原理，并分享一個（完成了一半的）網(wǎng)格合并及實例化繪制工具。

| 如何提高繪制效率

當(dāng)產(chǎn)生了“要將大量游戲?qū)ο蟪尸F(xiàn)給玩家”的需求時，我們就會碰到這樣一個問題：如何才能提高GPU的繪制效率。

批量繪制較多的騎兵

通常情況下CPU對GPU發(fā)起的繪制命令，才是性能的瓶頸所在。CPU為繪制準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、顯存加載數(shù)據(jù)、為GPU設(shè)置渲染狀態(tài)等行為所花費的時間，通常比GPU繪制所花費的時間要多。這也就是為什么我們經(jīng)常會把DrawCall次數(shù)當(dāng)成快速評判渲染效率的“KPI”。

反觀Unity提供的Static batching（靜態(tài)合批）和Dynamic batching（動態(tài)合批），也都是從減少CPU到GPU的調(diào)用次數(shù)為出發(fā)點，盡量一次發(fā)送一個大的網(wǎng)格（一大堆頂點數(shù)據(jù)），以減少CPU和GPU的通信次數(shù)，提高彼此的工作效率。

但是無論靜態(tài)還是動態(tài)合批，在大量游戲?qū)ο罄L制的需求面前，都不太合適。

靜態(tài)合批從名字上就知道不能用來繪制移動物體，而且其本身還會產(chǎn)生非常大的內(nèi)存開銷（它需要額外的內(nèi)存空間來存儲合并的網(wǎng)格）；動態(tài)合批也有自己的問題，如頂點數(shù)量的限制、材質(zhì)球限制、無法作用于蒙皮網(wǎng)格(SkinnedMeshRenderer)等，還會對CPU產(chǎn)生不小的壓力（因為它要不停地去動態(tài)計算并合并網(wǎng)格）。

| 實例化繪制

實例化繪制技術(shù)的出現(xiàn)，就是為了在不提高CPU負(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)之上，解決CPU到GPU調(diào)用開銷大的問題。對于相同的物體（同一個網(wǎng)格），只需一次調(diào)用，GPU就會根據(jù)我們想要繪制的次數(shù)，啪啪啪一通畫，非常的高效。

但是簡單重復(fù)繪制一個物體多次（比如重復(fù)繪制1000次小兵），并沒有任何意義。為了能夠繪制出1000個不同的小兵，我們還需要提前為GPU準(zhǔn)備一些額外的數(shù)據(jù)，比如1000個轉(zhuǎn)換矩陣（畫在不同的位置）、1000個混合色（呈現(xiàn)不同的顏色）等，最終在屏幕上呈現(xiàn)出千軍萬馬的畫面。

| 骨骼動畫與實例化繪制

如果我們想要在游戲世界上呈現(xiàn)非常多相同的、靜止不動的石頭，那到此為止就可以了。我們使用Unity提供的手動實例化繪制接口Graphics.DrawMeshInstanced，通過傳入一個石頭的網(wǎng)格和一批石頭的轉(zhuǎn)換矩陣，就可以實現(xiàn)需求（其實Unity也會自動為添加了MeshRenderer組件的單位嘗試使用實例化繪制以提高效率）。

但是對戰(zhàn)場中的小兵做這種簡單的操作就不太合適了，這個道理早在1994年上映的電影《精武英雄》中，就已經(jīng)明確的告訴過我們了。

船越文夫在教導(dǎo)陳真 圖源網(wǎng)絡(luò)

這是因為小兵通常是采用骨骼動畫來實現(xiàn)動作的，而骨骼動畫對于蒙皮網(wǎng)格的驅(qū)動，是CPU即時計算出來的。每個小兵相同時刻的狀態(tài)可能都不同，也就是說相同網(wǎng)格同一時刻的頂點位置會有很大差別，因此無法直接進(jìn)行實例化繪制。

既然CPU上即時計算的骨骼動畫無法進(jìn)行實例化繪制，我們就不讓CPU計算，而讓這些計算發(fā)生在GPU上，便可將問題解決。

| 它的原理很簡單

1、將骨骼動畫每一幀對網(wǎng)格各個頂點的變化結(jié)果存在一張紋理中，其中紋理的橫坐標(biāo)是頂點索引，縱坐標(biāo)是時間，而橫縱相交對應(yīng)的值，是這一時刻該頂點在本地空間下的坐標(biāo)。

2、有了這張“頂點動畫紋理”，在頂點著色器中，我們就可以忽視傳入頂點著色器的頂點位置信息；而以當(dāng)前所處理的頂點索引為U，以動畫播放至此的時間刻度為V，從上一步的紋理坐標(biāo)中采樣。而采樣到的結(jié)果，就是當(dāng)前這個頂點此時的位置。

3、接下來的步驟便與傳統(tǒng)繪制一樣，與MVP矩陣相乘做空間變換，傳入片段著色器中著色等...可以很容易的想象到，連續(xù)為網(wǎng)格上所有頂點設(shè)置不同時間下的空間位置，最終繪制到屏幕上時，就能呈現(xiàn)出動畫效果了。

| 一些相對重要的細(xì)節(jié)

1、用實例化ID來獲取差異實例單位的屬性

由于我們的最終目標(biāo)是繪制多個不同動畫狀態(tài)的單位，因此從動畫紋理中，用于采樣信息的時間刻度值，是根據(jù)實例化ID，從保存實例化屬性的數(shù)據(jù)塊中獲取到的，這樣就可以實現(xiàn)每個實例化單位的動畫播放進(jìn)度的差異。

2、合并多個不同的網(wǎng)格

手動調(diào)用實例化繪制接口時，只能傳入一個網(wǎng)格。而我們平時使用的游戲?qū)ο螅ǔＪ怯扇舾蓚€蒙皮網(wǎng)格和若干個普通網(wǎng)格組成。比如一個騎兵模型：士兵和馬匹分別是兩個蒙皮網(wǎng)格；而士兵手持的武器通常是一個普通網(wǎng)格，以方便后期做武器替換。

一個游戲?qū)ο罂赡軙蓛煞N、多個網(wǎng)格組合而成

因此我們會在編輯器模式下，將整個對象包含的網(wǎng)格合并成一個網(wǎng)格，并將這個網(wǎng)格保存成資源，以便后面調(diào)用繪制命令時作為實參傳入。

合并成為一個網(wǎng)格

3、多貼圖時處理UV

此外，有些模型上不同的網(wǎng)格還對應(yīng)了不同的貼圖，比如網(wǎng)格Mesh_0，使用了貼圖Texture_0，網(wǎng)格Mesh_1使用了貼圖Texture_1，由于網(wǎng)格進(jìn)行了合并，如果針對合并后的網(wǎng)格仍然使用同一張貼圖，便會出現(xiàn)錯誤。

胯下戰(zhàn)馬錯誤的顏色采樣

針對這種情況我們要在合并時做特殊處理，一種處理方式是合并多張貼圖，如將Texture_0與Texture_1合并，然后偏移原本Mesh_1的uv坐標(biāo)，但是這要求兩張貼圖都不能太大，否則無法合并到一張貼圖中；另一種方法是仍然保留兩張貼圖Texture_0和Texture_1，但是對Mesh_0和Mesh_1的uv2做特殊處理，如使用uv2的x保存兩張貼圖的Lerp值。這樣片段著色器中對兩張貼圖的采樣結(jié)果做二次計算后，就可以得到正確的顏色了。

為戰(zhàn)士和戰(zhàn)馬分別替換貼圖

4、動畫的混合

通過紋理實現(xiàn)的動畫也可以實現(xiàn)簡單的混合效果，它是通過在頂點著色器中對多個動畫紋理進(jìn)行采樣，然后根據(jù)一個混合比例，對多個位置信息進(jìn)行計算以實現(xiàn)的。

根據(jù)速度一維向量進(jìn)行的Locomotion狀態(tài)混合

5、脫離了Renderer的渲染

由于是直接調(diào)用了Graphics.DrawMeshInstanced進(jìn)行的繪制，因此并沒有GameObject被創(chuàng)建出來，減少了對象的創(chuàng)建數(shù)量，一定程度上也減少了內(nèi)存及CPU的開銷；但是需要自己在loop中組織數(shù)據(jù)的更新及渲染的更新。

脫離了GameObject+Renderer的繪制

| 使用動畫紋理的優(yōu)點

1、易于理解、易于實現(xiàn)；

2、CPU的計算（合并網(wǎng)格、記錄動畫信息）發(fā)生在編輯器階段，游戲運行時CPU沒有額外的開銷；

3、可以實現(xiàn)實例化繪制，充分發(fā)揮GPU的繪制效率。

| 使用動畫紋理的缺點

1、記錄頂點動畫的紋理大小，一方面取決于模型的頂點數(shù)量，另一方面取決于動畫的長度，如果頂點數(shù)量過多，或動畫過長，生成的紋理就會很大，對顯存的占用量也會上升；

2、實現(xiàn)動畫混合，需要從多個動畫紋理中采樣并進(jìn)行計算，采樣次數(shù)多；

3、無法使用動畫狀態(tài)機控制動作；

4、動作信息在存儲時會受保存格式的精度影響，因此讀取出來的動畫可能不夠精確；

5、無法實現(xiàn)骨骼動畫中的IK（反向動力學(xué)）等。

雖然有不少缺點，但是如果你的目的是大批量繪制環(huán)境裝飾（樹、草、石頭）或細(xì)節(jié)要求不高的雜魚小兵、路人，它都是你實現(xiàn)目的優(yōu)秀手段，值得你去使用它。

| 寫在最后

最后，分享一個沒有寫完的網(wǎng)格合并及實例化繪制工具，可以實現(xiàn)本文提及的功能。

通過工具生成動畫資源文件

簡單的動畫播放

大批攜帶動畫角色的實例化繪制

作者：枸杞憂天

來源：公眾號偶爾學(xué)學(xué)Unity