Unity3D學習筆記8——GPU例項化(3)

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目錄

1. 概述

在前兩篇文章 《Unity3D學習筆記6——GPU例項化(1)》 《Unity3D學習筆記6——GPU例項化(2)》 分別介紹了通過簡單的頂點著色器+片元著色器,以及通過表面著色器實現GPU例項化的過程。而在Unity的官方文件 Creating shaders that support GPU instancing 裡,也提供了一個GPU例項化的案例,這裡就詳細論述一下。

2. 詳論

2.1. 自動例項化

一個有意思的地方在於,Unity提供的標準材質支援自動例項化,而不用像 《Unity3D學習筆記6——GPU例項化(1)》 《Unity3D學習筆記6——GPU例項化(2)》 那樣額外編寫指令碼和Shader。並且,會自動將transform,也就是模型矩陣作為每個例項的屬性。

照例,還是編寫一個指令碼掛到一個空的GameObject物件上:

using UnityEngine;

public class Note8Main : MonoBehaviour
{
    public Mesh mesh;
    public Material material;
    public int instanceCount = 5000;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        MaterialPropertyBlock props = new MaterialPropertyBlock();
      
        for (int i = 0; i < instanceCount; i++)
        {
            GameObject go = new GameObject();
            go.name = i.ToString();

            MeshFilter mf = go.AddComponent<MeshFilter>();
            mf.mesh = mesh;

            MeshRenderer mr = go.AddComponent<MeshRenderer>();
            mr.material = material;
            
            go.transform.position = Random.insideUnitSphere * 5;
            go.transform.eulerAngles = new Vector3(Random.Range(0.0f, 90.0f), Random.Range(0.0f, 90.0f), Random.Range(0.0f, 90.0f));
            float s = Random.value;
            go.transform.localScale = new Vector3(s, s, s);
       
            go.transform.parent = gameObject.transform;
        }
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        
    }
}

這個指令碼的意思是,給掛接的GameObject下新建很多GameObject,它們使用我們傳入的Mesh和Material,但是位置、姿態和大小是隨機的。傳入的Mesh使用Unity自帶的膠囊體,Material使用Unity的標準材質。執行結果如下:

這個時候Unity還沒有自動例項化,開啟Frame Debug就可以看到:

這個時候我們可以在使用的材質上勾選開啟例項化的選項:

再次執行,就會在Frame Debug看到Unity實現了自動例項化,繪製的批次明顯減少,並且效能會有所提升:

可以看到確實是自動進行例項化繪製了,但是這種方式卻似乎存在例項化個數的上限,所有的例項化資料還是分成了好幾個批次進行繪製。與 《Unity3D學習筆記6——GPU例項化(1)》 《Unity3D學習筆記6——GPU例項化(2)》 提到的通過底層介面Graphic進行例項化繪製相比,效率還是要低一些。

2.2. MaterialPropertyBlock

自動例項化只能將transform,也就是模型矩陣作為每個例項的屬性。如果需要增加自己的例項屬性,就需要使用MaterialPropertyBlock,也就是材質屬性塊。

修改上面的指令碼:

using UnityEngine;

public class Note8Main : MonoBehaviour
{
    public Mesh mesh;
    public Material material;
    public int instanceCount = 5000;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        MaterialPropertyBlock props = new MaterialPropertyBlock();
      
        for (int i = 0; i < instanceCount; i++)
        {
            GameObject go = new GameObject();
            go.name = i.ToString();

            MeshFilter mf = go.AddComponent<MeshFilter>();
            mf.mesh = mesh;

            MeshRenderer mr = go.AddComponent<MeshRenderer>();
            mr.material = material;

            float r = Random.Range(0.0f, 1.0f);
            float g = Random.Range(0.0f, 1.0f);
            float b = Random.Range(0.0f, 1.0f);
            props.SetColor("_Color", new Color(r, g, b));
            mr.SetPropertyBlock(props);

            go.transform.position = Random.insideUnitSphere * 5;
            go.transform.eulerAngles = new Vector3(Random.Range(0.0f, 90.0f), Random.Range(0.0f, 90.0f), Random.Range(0.0f, 90.0f));
            float s = Random.value;
            go.transform.localScale = new Vector3(s, s, s);
       
            go.transform.parent = gameObject.transform;
        }
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        
    }
}

指令碼使用的材質,其使用的Shader如下,可以直接在Standard Surface Shader的基礎上改:

Shader "Custom/HiddenSurfaceIntanceShader"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0

        sampler2D _MainTex;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        half _Glossiness;
        half _Metallic;
        //fixed4 _Color;

        // Add instancing support for this shader. You need to check 'Enable Instancing' on materials that use the shader.
        // See https://docs.unity3d.com/Manual/GPUInstancing.html for more information about instancing.
        // #pragma instancing_options assumeuniformscaling
        UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)
            // put more per-instance properties here
			UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(fixed4, _Color)
        UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o)
        {
            // Albedo comes from a texture tinted by color
            //fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
			fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(Props, _Color);
            o.Albedo = c.rgb;
            // Metallic and smoothness come from slider variables
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

關鍵的程式碼在於Unity內建巨集UNITY_INSTANCING_BUFFER_START和UNITY_INSTANCING_BUFFER_END、UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP定義了例項化屬性,在著色器中,通過內建巨集UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP來獲取這個屬性值。這個例項化屬性也就是指令碼程式碼中MaterialPropertyBlock傳入的顏色值。

檢視Unity Shader原始碼,這四個用於例項化的巨集封裝的是一個cbuffer陣列,cbuffer就是hlsl的常量緩衝區:

#define UNITY_INSTANCING_CBUFFER_SCOPE_BEGIN(name)  cbuffer name {
#define UNITY_INSTANCING_CBUFFER_SCOPE_END          }

#define UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(buf)      UNITY_INSTANCING_CBUFFER_SCOPE_BEGIN(UnityInstancing_##buf) struct {
#define UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(arr)        } arr##Array[UNITY_INSTANCED_ARRAY_SIZE]; UNITY_INSTANCING_CBUFFER_SCOPE_END
#define UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(type, var)  type var;
#define UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(arr, var)   arr##Array[unity_InstanceID].var

執行的結果如下:

可以看到除了紋理,每一個膠囊體還獲取了隨機賦予給材質的顏色,也就是我們設定的顏色成為了例項化屬性資料。MaterialPropertyBlock主要由Graphics.DrawMesh和Renderer.SetPropertyBlock使用,在希望繪製具有相同材質,但屬性略有不同的多個物件時可使用它。

個人認為使用MaterialPropertyBlock自動例項化效能比不上使用Graphics.DrawMeshInstancedIndirect(),但是它有個優點是例項化的要求沒那麼高,Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()要求使用同一mesh,同一貼圖;但是MaterialPropertyBlock沒這個要求,只要是同一材質,任何屬性不一樣都可以用,在減少繪製批次的同時還能減少材質的個數。

3. 參考

  1. 《Unity3D學習筆記6——GPU例項化(1)》
  2. 《Unity3D學習筆記6——GPU例項化(2)》
  3. Creating shaders that support GPU instancing
  4. MaterialPropertyBlock

具體實現程式碼