1. 概述
在之前的文章中說到，一種材質對應一次繪製呼叫的指令。即使是這種情況，兩個三維物體使用同一種材質，但它們使用的材質引數不一樣，那麼最終仍然會造成兩次繪製指令。原因在於，圖形工作都是一種狀態機，狀態發生了變化，就必須進行一次繪製呼叫指令。
GPU例項化用於解決這樣的問題：對於像草地、樹木這樣的物體，它們往往是資料量很大，但同時又只存在微小的差別如位置、姿態、顏色等。如果像常規物體那樣進行渲染，所使用的繪製指令必然很多，資源佔用必然很大。一個合理的策略就是，我們指定一個需要繪製物體物件，以及大量該物件不同的引數，然後根據引數在一個繪製呼叫中繪製出來——這就是所謂的GPU例項化。
2. 詳論
首先，我們建立一個空的GameObject物件，並且掛接如下指令碼：
using UnityEngine;
//例項化引數
public struct InstanceParam
{
public Color color;
public Matrix4x4 instanceToObjectMatrix; //例項化到物方矩陣
}
[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();
}
}
}
這個指令碼的意思是，設定一個網格和一個材質，通過隨機獲取的例項化引數，渲染這個網格的多個例項：
GPU例項化的關鍵介面是Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()。Graphics物件的一系列介面是Unity的底層API，它是需要每一幀呼叫的。Graphics.DrawMeshInstanced()也可以例項繪製，但是最多隻能繪製1023個例項。所以還是Graphics.DrawMeshInstancedIndirect()比較好。
例項化引數InstanceParam和GPU緩衝區引數bufferWithArgs都是儲存於一個ComputeBuffer物件中。ComputeBuffe定義了一個GPU資料緩衝區物件，能夠對映到Unity Shader中的 StructuredBuffer
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
//頂點著色器輸入
struct a2v
{
float4 position : POSITION;
float3 normal: NORMAL;
float2 texcoord : TEXCOORD0;
};
//頂點著色器輸出
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"
}
這是一個改進自《Unity3D學習筆記3——Unity Shader的初步使用》的簡單例項化著色器。例項化繪製往往位置並不是固定的，這意味著Shader中獲取的模型矩陣UNITY_MATRIX_M一般是不正確的。因而例項化繪製的關鍵就在於對模型矩陣的重新計算，否則繪製的位置是不正確的。例項化的資料往往位置比較接近，所以可以先傳入一個基準位置(矩陣ObjectToWorld)，然後例項化資料就可以只傳入於這個位置的相對矩陣（instanceToObjectMatrix）。
最終的執行結果如下，繪製了大量不同位置、不同姿態、不同大小以及不同顏色的膠囊體，並且效能基本上不受影響。
