游戏图形批量渲染及优化：Unity实例化渲染

上回  游戏图形批量渲染及优化：Unity动态合批技术 简单总结了一下动态合批，这次我们继续说说Unity实例化渲染。

| 实例化渲染

当我们想要呈现这样的场景：一片茂密的森林、广阔的草原或崎岖的山路时，会发现在这些场景中存在大量重复性元素：树木、草和岩石。

仙境怕是也不过如此吧

它们都使用了相同的模型，或者模型的种类很少，比如：树可能只有几种；但为了做出差异化，它们的颜色略有不同，高低参差不齐，当然位置也各不相同。

使用静态合批来处理它们（假设它们都没有动画），是不合适的。因为数量太多（林子大了，多少树都有），所以合并后的网格体积可能非常大，这会引起内存的增加；而且，这个合并后的网格还是由大量重复网格组成的，不划算。

使用动态合批来处理他们，虽然不会“合并”网格，但是仍然需要在渲染前遍历所有顶点，进行空间变换的操作；虽然单颗树、石头的顶点数量可能不多，但由于数量很多，所以也会在一定程度上增加CPU性能的开销，没必要。

那么，对于场景中这些模型重复、数量多的渲染需求，有没有适合的批处理策略呢？有吧，实例化渲染就是为了解决这样的问题。

| 简述工作原理

实例化渲染，是通过调用“特殊”的渲染接口，由GPU完成的“批处理”。

它与传统的渲染方式相比，最大的差别在于：调用渲染命令时需要告知GPU这次渲染的次数（绘制N个）。当GPU接到这个命令时，就会连续绘制N个物体到我们的屏幕上，其效率远高于连续调用N次传统渲染命令的和（一次绘制一个）。

举个例子，假设希望在屏幕上绘制出两个颜色、位置均不同的箱子。如果使用传统的渲染，则需要调用两次渲染命令（DrawCall = 2），分别为：画一个红箱子 和 画一个绿箱子。

两个颜色、位置各异的箱子

如果使用实例化渲染，则只需要调用一次渲染命令（DrawCall = 1），并且附带一个参数2（表示绘制两个）即可。

当然，如果只是这样，那GPU就会把两个箱子画在相同的位置上。所以我们还需要告诉GPU两个箱子各自的位置（其实是转换矩阵）以及颜色。

这个位置和颜色我们会按照数组的方式传递给GPU，大概这个样子吧：

分别传递保存位置和颜色的数组

那接下来GPU在进行渲染时，就会在渲染每一个箱子的时候，根据当前箱子的索引（第几个），拿到正确的属性（位置、颜色）来进行绘制了。

一个简单的实例化渲染流程

| Unity是如何处理实例化的

我们通过一个简单的场景，来看一下Unity为实例化渲染做了什么。

实例化渲染两个彩色箱子

颜色属性通过MaterialPropertyBlock传入

通过GPA观察Unity做了什么。

GPA中的VertexBuffer和IndexBuffer中的信息

注:Unity默认Cube网格，包含24个顶点和36个索引。

顶点缓冲区Size = (Position(float3)

+ Normal(float3)

+ Tangent(float4)

+ TexCoord(float2)

+ TexCoord1(float2)) x 24 = 1344Byte

索引缓冲区Size = Index(ushort) x 36 = 72Byte

可见，顶点、索引缓冲区内，确实只有一个网格的数据。

那么GPU如何判断每个Cube的绘制位置，及其颜色呢？

结合引擎为Dx平台生成的shader（我的测试环境使用的是Pc），可以很容易找到对应的数据。

转换矩阵及颜色被分别填入Constant Buffer中

Constant Buffer中的矩阵(Dx为行向量)

Constant Buffer中的属性（颜色）

可见，渲染时GPU可以通过当前实例化单位的索引，从Buffer中获取到对应的属性，完成正确的绘制。

| Unity中启用实例化渲染

当然，相比于上述无用的知识点，如何在Unity中使用实例化渲染可能更为重要。

在Unity中可以通过自动或手动的方式，启用实例化渲染。

自动启用实例化渲染

使用支持实例化渲染的Shader，并勾选材质球上的启用开关，Unity便会对满足条件的物体，自动开启实例化渲染。

有这个选项即表示该Shader支持实例化渲染

自定义Shader

如果你希望自己的Shader也支持实例化渲染，应重点注意以下内容：

#pragma multi_compile_instancing

启用实例化渲染（材质球上将出现启用实例化的勾选框）；

UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID

在a2v及v2f的结构中定义实例化索引下标（SV_InstanceID ），也就是当前渲染单位的索引，用于从Constant Buffer中提取正确的属性（做显示差异化用）；

UNITY_INSTANCING_BUFFER_START ~ END

在这个起止区域内定义属性，才能在着色器中正确的根据索引提取出当前渲染单位所对应的属性；

UNITY_SETUP_INSTANCE_ID

定义在着色器的起始位置，使顶点着色器（或片段着色器）可以正确的访问到实例化单位的索引；

UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP

根据索引访问到这个单位对应的属性，如上面例子中每个箱子的颜色属性。

这里只是简述一些相对重要的内容（凑些字数），官方文档中有更详细内容，建议优先了解。

手动实例化渲染

使用  Graphics.DrawMeshInstanced 和 Graphics.DrawMeshInstancedIndirect 来手动执行 GPU 实例化，详见官方文档中的解释，这里就不再赘述了。

| 实例化渲染的使用要求

并非所有设备都可以使用实例化渲染。

在Unity官方文档中，列举了各平台支持实例化渲染的最低要求。

官方文档中对支持实例化渲染的最低API要求

当然，我们也可以通过引擎中SystemInfo.supportsInstancing属性来判断环境是否支持实例化渲染。

那支持实例化渲染的机器占比大概是多少呢？由于国内大多数游戏公司都是以手游项目糊口。所以开发者可能会更多关注其在安卓平台上的情况。

根据Android开发者的官方数据显示，截至2020年8月30日，约88%的活跃安卓设备，都已经支持实例化渲染，所以基本上可以放心使用。

android开发者官网发布的活跃设备OpenGL ES版本占比信息

| 与静、动态合批的差异

静、动态合批实质上是将可以合批的对象真正的合并成一个大物体后，再通知GPU进行渲染，也就是其顶点索引缓冲区中必须包含全部参与合批对象的顶点信息；因此，可以认为是CPU完成的批处理。

实例化渲染是对网格信息的重复利用，无论最终要渲染出几个单位，其顶点和索引缓冲区内都只有一份数据，可以认为是GPU完成的批处理。

其实这么总结也有点问题，本质上讲：动、静态合批解决的是合批问题，也就是先有大量存在的单位，再通过一些手段合并成为批次；而实例化渲染其实是个复制的事儿，是从少量复制为大量，只是利用了它“可以通过传入属性实现差异化”的特点，在某些条件下达到了与合批相同的效果。

| 简单总结静、动态合批及实例化渲染

无论是静态合批、动态合批或实例化渲染，本质上并无孰优孰劣，它们都只是提高渲染效率的解决方案，也都有自己适合的场景或擅长解决的问题。

个人以为：

如果你的场景中存在多数静止的、使用了不同网格、相同材质的物体，特别是当你的相机通常只能照到一部分物体时（如第一视角），可以优先尝试下静态合批，通过牺牲一些内存来提升渲染效率；

针对那些运动的、网格顶点数很少、材质相同的物体，比如飞行的各种箭矢、炮弹等，使用动态合批，通过增加一些CPU处理顶点的性能开销，来提升渲染效率，也许是不错的选择；

如果有大量模型相同、材质相同、或尽管表现上有一些不同，但仍然可以通过属性来实现这些差异化的物体时，启用实例化渲染通常可以在很大程度上提升渲染效率。

|  写在最后

按计划下次更新的内容应该是“优化骨骼蒙皮动画，以及两种常用的批量渲染方式”，但觉得内容有点多，所以将其分为两个部分；因此，下次更新的内容变为“优化骨骼蒙皮动画”，而“两种常用的骨骼蒙皮动画单位的批量渲染方式”，将作为本系列的最后一次更新内容。

下回见喽。

作者：枸杞忧天

来源：偶尔学学Unity公众号