GPU实现骨骼动画的实例化绘制方法

网上有多种通过GPU实现骨骼动画的实例化绘制方法，本文介绍的是其中的一种：将顶点信息逐帧写入纹理后，在顶点着色器中通过读取动画纹理，提取顶点位置并变换，最终实现角色动画的方法。

本文将简述其实现原理，并分享一个（完成了一半的）网格合并及实例化绘制工具。

|  如何提高绘制效率

当产生了“要将大量游戏对象呈现给玩家”的需求时，我们就会碰到这样一个问题：如何才能提高GPU的绘制效率。

批量绘制较多的骑兵

通常情况下CPU对GPU发起的绘制命令，才是性能的瓶颈所在。CPU为绘制准备数据、显存加载数据、为GPU设置渲染状态等行为所花费的时间，通常比GPU绘制所花费的时间要多。这也就是为什么我们经常会把DrawCall次数当成快速评判渲染效率的“KPI”。

反观Unity提供的Static batching（静态合批）和Dynamic batching（动态合批），也都是从减少CPU到GPU的调用次数为出发点，尽量一次发送一个大的网格（一大堆顶点数据），以减少CPU和GPU的通信次数，提高彼此的工作效率。

但是无论静态还是动态合批，在大量游戏对象绘制的需求面前，都不太合适。

静态合批从名字上就知道不能用来绘制移动物体，而且其本身还会产生非常大的内存开销（它需要额外的内存空间来存储合并的网格）；动态合批也有自己的问题，如顶点数量的限制、材质球限制、无法作用于蒙皮网格(SkinnedMeshRenderer)等，还会对CPU产生不小的压力（因为它要不停地去动态计算并合并网格）。

|  实例化绘制

实例化绘制技术的出现，就是为了在不提高CPU负担的基础之上，解决CPU到GPU调用开销大的问题。对于相同的物体（同一个网格），只需一次调用，GPU就会根据我们想要绘制的次数，啪啪啪一通画，非常的高效。

但是简单重复绘制一个物体多次（比如重复绘制1000次小兵），并没有任何意义。为了能够绘制出1000个不同的小兵，我们还需要提前为GPU准备一些额外的数据，比如1000个转换矩阵（画在不同的位置）、1000个混合色（呈现不同的颜色）等，最终在屏幕上呈现出千军万马的画面。

|  骨骼动画与实例化绘制

如果我们想要在游戏世界上呈现非常多相同的、静止不动的石头，那到此为止就可以了。我们使用Unity提供的手动实例化绘制接口Graphics.DrawMeshInstanced，通过传入一个石头的网格和一批石头的转换矩阵，就可以实现需求（其实Unity也会自动为添加了MeshRenderer组件的单位尝试使用实例化绘制以提高效率）。

但是对战场中的小兵做这种简单的操作就不太合适了，这个道理早在1994年上映的电影《精武英雄》中，就已经明确的告诉过我们了。

船越文夫在教导陈真 图源网络

这是因为小兵通常是采用骨骼动画来实现动作的，而骨骼动画对于蒙皮网格的驱动，是CPU即时计算出来的。每个小兵相同时刻的状态可能都不同，也就是说相同网格同一时刻的顶点位置会有很大差别，因此无法直接进行实例化绘制。

既然CPU上即时计算的骨骼动画无法进行实例化绘制，我们就不让CPU计算，而让这些计算发生在GPU上，便可将问题解决。

|  它的原理很简单

1、将骨骼动画每一帧对网格各个顶点的变化结果存在一张纹理中，其中纹理的横坐标是顶点索引，纵坐标是时间，而横纵相交对应的值，是这一时刻该顶点在本地空间下的坐标。

2、有了这张“顶点动画纹理”，在顶点着色器中，我们就可以忽视传入顶点着色器的顶点位置信息；而以当前所处理的顶点索引为U，以动画播放至此的时间刻度为V，从上一步的纹理坐标中采样。而采样到的结果，就是当前这个顶点此时的位置。

3、接下来的步骤便与传统绘制一样，与MVP矩阵相乘做空间变换，传入片段着色器中着色等...可以很容易的想象到，连续为网格上所有顶点设置不同时间下的空间位置，最终绘制到屏幕上时，就能呈现出动画效果了。

|  一些相对重要的细节

1、用实例化ID来获取差异实例单位的属性

由于我们的最终目标是绘制多个不同动画状态的单位，因此从动画纹理中，用于采样信息的时间刻度值，是根据实例化ID，从保存实例化属性的数据块中获取到的，这样就可以实现每个实例化单位的动画播放进度的差异。

2、合并多个不同的网格

手动调用实例化绘制接口时，只能传入一个网格。而我们平时使用的游戏对象，通常是由若干个蒙皮网格和若干个普通网格组成。比如一个骑兵模型：士兵和马匹分别是两个蒙皮网格；而士兵手持的武器通常是一个普通网格，以方便后期做武器替换。

一个游戏对象可能会由两种、多个网格组合而成

因此我们会在编辑器模式下，将整个对象包含的网格合并成一个网格，并将这个网格保存成资源，以便后面调用绘制命令时作为实参传入。

合并成为一个网格

3、多贴图时处理UV

此外，有些模型上不同的网格还对应了不同的贴图，比如网格Mesh_0，使用了贴图Texture_0，网格Mesh_1使用了贴图Texture_1，由于网格进行了合并，如果针对合并后的网格仍然使用同一张贴图，便会出现错误。

胯下战马错误的颜色采样

针对这种情况我们要在合并时做特殊处理，一种处理方式是合并多张贴图，如将Texture_0与Texture_1合并，然后偏移原本Mesh_1的uv坐标，但是这要求两张贴图都不能太大，否则无法合并到一张贴图中；另一种方法是仍然保留两张贴图Texture_0和Texture_1，但是对Mesh_0和Mesh_1的uv2做特殊处理，如使用uv2的x保存两张贴图的Lerp值。这样片段着色器中对两张贴图的采样结果做二次计算后，就可以得到正确的颜色了。

为战士和战马分别替换贴图

4、动画的混合

通过纹理实现的动画也可以实现简单的混合效果，它是通过在顶点着色器中对多个动画纹理进行采样，然后根据一个混合比例，对多个位置信息进行计算以实现的。

根据速度一维向量进行的Locomotion状态混合

5、脱离了Renderer的渲染

由于是直接调用了Graphics.DrawMeshInstanced进行的绘制，因此并没有GameObject被创建出来，减少了对象的创建数量，一定程度上也减少了内存及CPU的开销；但是需要自己在loop中组织数据的更新及渲染的更新。

脱离了GameObject+Renderer的绘制

|  使用动画纹理的优点

1、易于理解、易于实现；

2、CPU的计算（合并网格、记录动画信息）发生在编辑器阶段，游戏运行时CPU没有额外的开销；

3、可以实现实例化绘制，充分发挥GPU的绘制效率。

| 使用动画纹理的缺点

1、记录顶点动画的纹理大小，一方面取决于模型的顶点数量，另一方面取决于动画的长度，如果顶点数量过多，或动画过长，生成的纹理就会很大，对显存的占用量也会上升；

2、实现动画混合，需要从多个动画纹理中采样并进行计算，采样次数多；

3、无法使用动画状态机控制动作；

4、动作信息在存储时会受保存格式的精度影响，因此读取出来的动画可能不够精确；

5、无法实现骨骼动画中的IK（反向动力学）等。

虽然有不少缺点，但是如果你的目的是大批量绘制环境装饰（树、草、石头）或细节要求不高的杂鱼小兵、路人，它都是你实现目的优秀手段，值得你去使用它。

|  写在最后

最后，分享一个没有写完的网格合并及实例化绘制工具，可以实现本文提及的功能。

通过工具生成动画资源文件

简单的动画播放

大批携带动画角色的实例化绘制

作者：枸杞忧天

来源：公众号偶尔学学Unity