詳細(xì)介紹了Unity3d中GPU實(shí)例化的實(shí)現(xiàn)，并且給出了詳細(xì)代碼。

1. 概述

在之前的文章中說(shuō)到，一種材質(zhì)對(duì)應(yīng)一次繪制調(diào)用的指令。即使是這種情況，兩個(gè)三維物體使用同一種材質(zhì)，但它們使用的材質(zhì)參數(shù)不一樣，那么最終仍然會(huì)造成兩次繪制指令。原因在于，圖形工作都是一種狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)發(fā)生了變化，就必須進(jìn)行一次繪制調(diào)用指令。

GPU實(shí)例化用于解決這樣的問(wèn)題：對(duì)于像草地、樹(shù)木這樣的物體，它們往往是數(shù)據(jù)量很大，但同時(shí)又只存在微小的差別如位置、姿態(tài)、顏色等。如果像常規(guī)物體那樣進(jìn)行渲染，所使用的繪制指令必然很多，資源占用必然很大。一個(gè)合理的策略就是，我們指定一個(gè)需要繪制物體對(duì)象，以及大量該對(duì)象不同的參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)在一個(gè)繪制調(diào)用中繪制出來(lái)——這就是所謂的GPU實(shí)例化。

2. 詳論

首先，我們創(chuàng)建一個(gè)空的GameObject對(duì)象，并且掛接如下腳本：

using UnityEngine;

//實(shí)例化參數(shù)
public struct InstanceParam
{  
    public Color color;
    public Matrix4x4 instanceToObjectMatrix;        //實(shí)例化到物方矩陣
}

[ExecuteInEditMode]
public class Note6Main : MonoBehaviour
{
    public Mesh mesh;
    public Material material;

    int instanceCount = 200;
    Bounds instanceBounds;

    ComputeBuffer bufferWithArgs = null;
    ComputeBuffer instanceParamBufferData = null;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        instanceBounds = new Bounds(new Vector3(0, 0, 0), new Vector3(100, 100, 100));

        uint[] args = new uint[5] { 0, 0, 0, 0, 0 };
        bufferWithArgs = new ComputeBuffer(1, args.Length * sizeof(uint), ComputeBufferType.IndirectArguments);
        int subMeshIndex = 0;
        args[0] = mesh.GetIndexCount(subMeshIndex);
        args[1] = (uint)instanceCount;
        args[2] = mesh.GetIndexStart(subMeshIndex);
        args[3] = mesh.GetBaseVertex(subMeshIndex);
        bufferWithArgs.SetData(args);
        
        InstanceParam[] instanceParam = new InstanceParam[instanceCount];

        for (int i = 0; i < instanceCount; i++)
        {   
            Vector3 position = Random.insideUnitSphere * 5;        
            Quaternion q =  Quaternion.Euler(Random.Range(0.0f, 90.0f), Random.Range(0.0f, 90.0f), Random.Range(0.0f, 90.0f));
            float s = Random.value;
            Vector3 scale = new Vector3(s, s, s);

            instanceParam[i].instanceToObjectMatrix = Matrix4x4.TRS(position, q, scale);
            instanceParam[i].color = Random.ColorHSV();
        }

        int stride = System.Runtime.InteropServices.Marshal.SizeOf(typeof(InstanceParam));
        instanceParamBufferData = new ComputeBuffer(instanceCount, stride);
        instanceParamBufferData.SetData(instanceParam);
        material.SetBuffer("dataBuffer", instanceParamBufferData);
        material.SetMatrix("ObjectToWorld", Matrix4x4.identity);
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {        
        if(bufferWithArgs != null)
        {         
            Graphics.DrawMeshInstancedIndirect(mesh, 0, material, instanceBounds, bufferWithArgs, 0);
        }        
    }

    private void OnDestroy()
    {
        if (bufferWithArgs != null)
        {
            bufferWithArgs.Release();
        }
        
        if(instanceParamBufferData != null)
        {
            instanceParamBufferData.Release();
        }        
    }
}

這個(gè)腳本的意思是，設(shè)置一個(gè)網(wǎng)格和一個(gè)材質(zhì)，通過(guò)隨機(jī)獲取的實(shí)例化參數(shù)，渲染這個(gè)網(wǎng)格的多個(gè)實(shí)例：

GPU實(shí)例化的關(guān)鍵接口是Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()。Graphics對(duì)象的一系列接口是Unity的底層API，它是需要每一幀調(diào)用的。Graphics.DrawMeshInstanced()也可以實(shí)例繪制，但是最多只能繪制1023個(gè)實(shí)例。所以還是Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()比較好。

實(shí)例化參數(shù)InstanceParam和GPU緩沖區(qū)參數(shù)bufferWithArgs都是存儲(chǔ)于一個(gè)ComputeBuffer對(duì)象中。ComputeBuffe定義了一個(gè)GPU數(shù)據(jù)緩沖區(qū)對(duì)象，能夠映射到Unity Shader中的 StructuredBuffer中。實(shí)例化參數(shù)InstanceParam存儲(chǔ)了每個(gè)實(shí)例化對(duì)象的位置，姿態(tài)、縮放以及顏色信息，通過(guò)Material.SetBuffer()，傳遞到著色器中：

Shader "Custom/SimpleInstanceShader"
{
    Properties
    {        
    }
    SubShader
    {
		Tags{"Queue" = "Geometry"}

		Pass
		{	
			CGPROGRAM
			#include "UnityCG.cginc" 
			#pragma vertex vert	
			#pragma fragment frag
			#pragma target 4.5

			sampler2D _MainTex;
			
			float4x4 ObjectToWorld;
	
			struct InstanceParam
			{			
				float4 color;
				float4x4 instanceToObjectMatrix;
			};
	
		#if SHADER_TARGET >= 45			
			StructuredBuffer<InstanceParam> dataBuffer;
		#endif
		
			//頂點(diǎn)著色器輸入
			struct a2v
			{
				float4  position : POSITION;
				float3  normal: NORMAL;
				float2  texcoord : TEXCOORD0;	
 			};

			//頂點(diǎn)著色器輸出
			struct v2f
			{
				float4 position: SV_POSITION;
				float2 texcoord: TEXCOORD0;
				float4 color: COLOR;
			};

			v2f vert(a2v v, uint instanceID : SV_InstanceID)
			{
			#if SHADER_TARGET >= 45
				float4x4 instanceToObjectMatrix = dataBuffer[instanceID].instanceToObjectMatrix;
				float4 color = dataBuffer[instanceID].color;
			#else
				float4x4 instanceToObjectMatrix = float4x4(1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1);
				float4 color = float4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
			#endif

				float4 localPosition = mul(instanceToObjectMatrix, v.position);
				//float4 localPosition = v.position;
				float4 worldPosition = mul(ObjectToWorld, localPosition);						

				v2f o;
				//o.position = UnityObjectToClipPos(v.position);
				o.position = mul(UNITY_MATRIX_VP, worldPosition);		
				o.texcoord = v.texcoord;
				o.color = color;

				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target 
			{												
				return i.color;					
			}

            ENDCG
        }
    }

	Fallback "Diffuse"
}

這是一個(gè)改進(jìn)自《Unity3D學(xué)習(xí)筆記3——Unity Shader的初步使用》的簡(jiǎn)單實(shí)例化著色器。實(shí)例化繪制往往位置并不是固定的，這意味著Shader中獲取的模型矩陣UNITY_MATRIX_M一般是不正確的。因而實(shí)例化繪制的關(guān)鍵就在于對(duì)模型矩陣的重新計(jì)算，否則繪制的位置是不正確的。實(shí)例化的數(shù)據(jù)往往位置比較接近，所以可以先傳入一個(gè)基準(zhǔn)位置(矩陣ObjectToWorld)，然后實(shí)例化數(shù)據(jù)就可以只傳入于這個(gè)位置的相對(duì)矩陣（instanceToObjectMatrix）。

最終的運(yùn)行結(jié)果如下，繪制了大量不同位置、不同姿態(tài)、不同大小以及不同顏色的膠囊體，并且性能基本上不受影響。

3. 參考

1. 《Unity3D學(xué)習(xí)筆記3——Unity Shader的初步使用》
2. Graphics.DrawMeshInstanced

具體實(shí)現(xiàn)代碼