Unity3D学习笔记8——GPU实例化(3)

目录

• 1. 概述
• 2. 详论
  • 2.1. 自动实例化
  • 2.2. MaterialPropertyBlock
• 3. 参考

1. 概述

在前两篇文章《Unity3D学习笔记6——GPU实例化(1)》《Unity3D学习笔记6——GPU实例化(2)》分别介绍了通过简单的顶点着色器+片元着色器，以及通过表面着色器实现GPU实例化的过程。而在Unity的官方文档Creating shaders that support GPU instancing里，也提供了一个GPU实例化的案例，这里就详细论述一下。

2. 详论

2.1. 自动实例化

一个有意思的地方在于，Unity提供的标准材质支持自动实例化，而不用像《Unity3D学习笔记6——GPU实例化(1)》《Unity3D学习笔记6——GPU实例化(2)》那样额外编写脚本和Shader。并且，会自动将transform，也就是模型矩阵作为每个实例的属性。

照例，还是编写一个脚本挂到一个空的GameObject对象上：

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()
    {

    }
}

这个脚本的意思是，给挂接的GameObject下新建很多GameObject，它们使用我们传入的Mesh和Material，但是位置、姿态和大小是随机的。传入的Mesh使用Unity自带的胶囊体，Material使用Unity的标准材质。运行结果如下：

这个时候Unity还没有自动实例化，打开Frame Debug就可以看到：

这个时候我们可以在使用的材质上勾选打开实例化的选项：

再次运行，就会在Frame Debug看到Unity实现了自动实例化，绘制的批次明显减少，并且性能会有所提升：

可以看到确实是自动进行实例化绘制了，但是这种方式却似乎存在实例化个数的上限，所有的实例化数据还是分成了好几个批次进行绘制。与《Unity3D学习笔记6——GPU实例化(1)》《Unity3D学习笔记6——GPU实例化(2)》提到的通过底层接口Graphic进行实例化绘制相比，效率还是要低一些。

2.2. MaterialPropertyBlock

自动实例化只能将transform，也就是模型矩阵作为每个实例的属性。如果需要增加自己的实例属性，就需要使用MaterialPropertyBlock，也就是材质属性块。

修改上面的脚本：

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()
    {

    }
}

脚本使用的材质，其使用的Shader如下，可以直接在Standard Surface Shader的基础上改：

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"
}

关键的代码在于Unity内置宏UNITY_INSTANCING_BUFFER_START和UNITY_INSTANCING_BUFFER_END、UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP定义了实例化属性，在着色器中，通过内置宏UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP来获取这个属性值。这个实例化属性也就是脚本代码中MaterialPropertyBlock传入的颜色值。

查看Unity Shader源代码，这四个用于实例化的宏封装的是一个cbuffer数组，cbuffer就是hlsl的常量缓冲区：

#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

运行的结果如下：

可以看到除了纹理，每一个胶囊体还获取了随机赋予给材质的颜色，也就是我们设置的颜色成为了实例化属性数据。MaterialPropertyBlock主要由Graphics.DrawMesh和Renderer.SetPropertyBlock使用，在希望绘制具有相同材质，但属性略有不同的多个对象时可使用它。

个人认为使用MaterialPropertyBlock自动实例化性能比不上使用Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()，但是它有个优点是实例化的要求没那么高，Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()要求使用同一mesh，同一贴图；但是MaterialPropertyBlock没这个要求，只要是同一材质，任何属性不一样都可以用，在减少绘制批次的同时还能减少材质的个数。

3. 参考

1. 《Unity3D学习笔记6——GPU实例化(1)》
2. 《Unity3D学习笔记6——GPU实例化(2)》
3. Creating shaders that support GPU instancing
4. MaterialPropertyBlock

具体实现代码