Unity大面积草地渲染——3、使用GPUInstancing渲染大面积的草

目录
1、Shader控制一棵草的渲染
2、草地的动态交互
3、使用GPUInstancing渲染大面积的草
4、对大面积草地进行区域剔除和显示等级设置

大家好，我是阿赵。
这里开始讲大面积草地渲染的第三个部分，使用GPU Instancing来渲染大面积的草。

一、在不使用GPU Instancing时的渲染情况

为了能看性能明显一点，我写了个工具，在10乘10的范围内生成了一万棵草。

由于我的电脑显卡不算很差，所以可以看得到fps还能维持一百多。看看下面的参数，可以发现，渲染的三角形数有120多万，Batches有8517次，Saved by batching是0次，然后实际SetPass有8次。
这些数据代表了什么呢？
首先，为什么Batches有8千多次呢？
这是因为，我这里所有的草都是使用了同一个材质球，而同一个材质球按道理来说是可以合并渲染的。Batches指的是在运行过程中，通过消耗CPU的性能，每一帧动态的去判断哪些模型可以合并渲染，然后进行合并，最后推送到渲染管线。虽然我生成了10000棵草，但并不是所有草都进入到摄像机的裁剪视锥，只有8000多棵进入了，所以Batches是8000多。

如果把摄像机拉远一点，然后把地面隐藏了，在看到10000棵草的情况下，这个Batches就是10001了。10000棵草，再加一个背景色。

然后，为什么Saved by batching是0次呢？
所谓的Saved by batching，指的是计算完一次的合并数据，可以保存下来，下一帧不需要再重新计算，就可以直接的渲染了。因为这些草都是自然渲染的，没有经过任何技术的预处理，所以并没有可以保存的合并渲染数据，只能每一帧都重复的去计算。所以Saved by batching是0次，也就是完全没有。

最后，SetPass calls是8次，说明了实际上GPU执行了8次的渲染。由于GPU是并行计算的，根据显卡的性能，一次渲染可能可以渲染数百万个三角形，所以在上面已经Batches合批的情况下，显卡可以把所有草一次渲染完。从上面拉远了之后把地面隐藏的结果看，SetPass calls变成了2次。这是因为其中有6次是那个地面渲染导致的。没有了地面之后，所有草一次，背景色一次，所以是2次。

所以，最后得到的结果是，如果在显卡性能还比较好的情况下，这次的渲染并没有什么压力，因为只有2次SetPass。但对CPU的压力比较大，每一帧需要计算上万次的合批数据。这里的帧数看着还过得去，是因为我的电脑CPU也还过得去，是第10代的i7处理器。
至于面数的问题，120万面是有点多的，这个问题的解决办法我会在下一篇文章里面说，这里先不讨论。
从经验上来说，我们做游戏，特别是手机游戏，Batches的数量一般要控制在100左右，不然CPU每一帧都高负荷的计算，虽然可能不掉帧，但发热是肯定的。可能游戏运行5分钟，你的手机就已经烫到拿不住了。

于是，我们要想办法去考虑一下，怎样把合批的次数给降低？
Unity其实一直有提供2种合批方式，一种是刚才通过CPU的动态合批，另外一种是静态合批。
静态合批的使用很简单，直接选择需要合批的东西，然后勾选Batching Static选项就可以了。

于是也可以试试，如果用静态合批，会有怎样的结果：

从数据上看，Batches大幅度的降低了，好像结果不错。但仔细看场景里面的草，会发现颜色发生了变化。
然后静态合批还有一个很重要的特点，就是参与了静态合批的模型，它们的网格是已经合并成一个大网格了，所以在运行的时候，你可以显示隐藏某个模型，但不能移动、旋转或者缩放某个模型了。
这里我勾选了静态合批之后，风吹草的动画和球体交互的动画还是可以播放的，这是因为虽然合并成了大网格，但Shader里面的顶点程序还是能根据顶点坐标正常的计算。

二、使用GPU Instancing时的渲染情况

从这里开始，我们试一下使用GPU Instancing功能，看看效果如何。

这是使用了GPU Instancing之后的性能情况，可以看到，Batches降低到24，根据上面的经验。然后Saved by batching变成了8000多个，三角面数是120万，SetPass数还是8

和上面的做法一样，拉远了摄像机，并且把地面隐藏了，可以看到实际Batches是21，SetPass calls是2。
从结果可以看出，使用了GPU Instancing之后，渲染的三角面数并没有降低，但Batches降低了，比之前的静态合批还低，这是因为静态合批的大模型网格还是要遵循Unity本身一个网格的顶点数不能超过65536个的规则，而GPU Instancing是没有这个限制，但同一个渲染批次渲染的物体最大只能1023个。
在Batches大幅度降低之后，草地上的草从外观上看并没有什么变化，而且每棵草都可以移动、旋转和缩放，没有任何限制。

三、怎样使用GPU Instancing

1、Shader修改

使用GPU Instancing的方式很简单，在材质球上面勾选Enable GPU Instancing，就可以了。
不过如果你自己写Shader，会发现材质球上面根本没有这个选项。如果想出现这个选项，需要在Shader里面加点东西：
(1)#pragma multi_compile_instancing
(2)在appdata和v2f结构体里面添加UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
(3)在顶点程序和片段程序里面添加UNITY_SETUP_INSTANCE_ID

2、程序调用渲染方法

刚刚介绍的方法，是直接把勾选了Enable GPU Instancing的模型放在场景里面渲染，还可以有另外一种方式，不需要在场景里面摆放模型，而是通过使用渲染的API，传入需要渲染的网格模型、材质球，还有需要摆放模型的Matrix4x4矩阵，让程序自己去渲染。
可以使用的API有2种，各位可以查阅Unity自带的帮助文档：

1.Graphics.DrawMeshInstanced

使用方法举例：

Graphics.DrawMeshInstanced(mesh, 0, mat, matrixs, matrixs.Length);

之前漏了说，这个API一次渲染的长度是不能超过1023的，所以这里的matrixs矩阵数组，我们要自己计算一下长度，如果超出了1023个，就要新建数组来继续存放。

2.CommandBuffer.DrawMeshInstanced

使用方法举例：

CommandBuffer mBuff = new CommandBuffer();
mBuff.DrawMeshInstanced(mesh, 0, mat,0, matrixs, matrixs.Length);
Camera.main.AddCommandBuffer(CameraEvent.BeforeForwardOpaque, mBuff);

四、完整Shader

Shader "azhao/Grass"
{
    Properties
    {
		_MainTex("MainTex", 2D) = "white" {}
		_hmin("hmin", Range(0 , 1)) = 0
		_hmax("hmax", Range(0 , 1)) = 1
		_hOffset("hOffset", Range(-1 , 1)) = 0
		_vmin("vmin", Range(0 , 1)) = 0
		_vmax("vmax", Range(0 , 1)) = 1
		_vOffset("vOffset", Range(-5 , 5)) = 0
		_topCol("topCol", Color) = (0,1,0,0)
		_windOffset("windOffset", Vector) = (0,0,0,0)
		_bottomCol("bottomCol", Color) = (0,0,0,0)
		_roleMul("roleMul", Range(0 , 10)) = 0
		_roleHOffset("roleHOffset", Range(0 , 10)) = 0
    }
    SubShader
    {
		Tags{"Queue" = "AlphaTest" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "TransparentCutout" }
		Cull Off

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

			//要使用GPU Instancing必须加上这句
			#pragma multi_compile_instancing
			#include "UnityShaderVariables.cginc"
			#pragma target 3.0
            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
				//要使用GPU Instancing必须加上这句
				UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
            };

            struct v2f
            {                
                float4 pos : SV_POSITION;
				float2 uv : TEXCOORD0;
				float3 centerPos : TEXCOORD1;
				float3 worldPos : TEXCOORD2;
				float3 hvVal : TEXCOORD3;
				//要使用GPU Instancing必须加上这句
				UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
            };

			uniform float _hmin;
			uniform float _hmax;
			uniform float _vmin;
			uniform float _vmax;
			uniform float _vOffset;
			uniform float2 _windOffset;
			uniform float3 rolePos;
			uniform float _roleMul;
			uniform float _hOffset;
			uniform float _roleHOffset;
			uniform sampler2D _MainTex;
			uniform float4 _MainTex_ST;
			uniform float4 _topCol;
			uniform float4 _bottomCol;
			SamplerState sampler_MainTex;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
				//要使用GPU Instancing必须加上这句
				UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);

                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
				o.centerPos = mul(unity_ObjectToWorld, float4(float3(0, 0, 0), 1)).xyz;
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
				float hVal = smoothstep(_hmin, _hmax, o.worldPos.y - o.centerPos.y);
				float vVal = smoothstep(_vmin, _vmax, distance(o.worldPos.xz, o.centerPos.xz));
				float hvVal = hVal * vVal;
				o.hvVal = float3(hVal, vVal, hvVal);
				float hVertexOffset = hvVal * _hOffset;
				float2 vVertexOffset = (o.worldPos.xz - o.centerPos.xz)*hvVal*_vOffset;
				float2 wind = _windOffset * hVal*_SinTime.w;
				float roleDis = (1 - distance(o.worldPos.xz, rolePos.xz));
				float2 roleNor = (o.worldPos.xz - rolePos.xz)*step(0, roleDis)*(roleDis*_roleMul);
				float2 rolePosXZOffset = vVertexOffset   wind * (1 - roleNor)   roleNor * hVal;
				float rolePosYOffset = hVertexOffset - saturate(roleDis*_roleHOffset);
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex float3(rolePosXZOffset.x, rolePosYOffset, rolePosXZOffset.y));
                return o;
            }

            half4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
				//要使用GPU Instancing必须加上这句
				UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(i);
                // sample the texture
                half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
				half3 finalCol = col.rgb * _topCol.rgb*i.hvVal.z   col.rgb;
				finalCol = clamp(finalCol*i.hvVal.x   _bottomCol * (1 - i.hvVal.x)*finalCol,  half3(0, 0, 0), half3(1, 1, 1));
				half alpha = col.a;
				clip(alpha - 0.5);
                return half4(finalCol,alpha);
            }
            ENDCG
        }
		/*
		//为了产生影子，加多一个pass，不过在大量渲染的情况下，不建议加阴影，性能实在差
		Pass {
			Name "ShadowCaster"
			Tags { "LightMode" = "ShadowCaster" }

			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			#include "UnityCG.cginc"
			struct appdata
			{
				float4 vertex : POSITION;
				float2 uv : TEXCOORD0;
				//要使用GPU Instancing必须加上这句
				UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
			};

			struct v2f
			{
				float4 pos : SV_POSITION;
				float2 uv : TEXCOORD0;
				float3 centerPos : TEXCOORD1;
				float3 worldPos : TEXCOORD2;
				float3 hvVal : TEXCOORD3;
				//要使用GPU Instancing必须加上这句
				UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
			};

			uniform float _hmin;
			uniform float _hmax;
			uniform float _vmin;
			uniform float _vmax;
			uniform float _vOffset;
			uniform float2 _windOffset;
			uniform float3 rolePos;
			uniform float _roleMul;
			uniform float _hOffset;
			uniform float _roleHOffset;
			uniform sampler2D _MainTex;
			uniform float4 _MainTex_ST;
			uniform float4 _topCol;
			uniform float4 _bottomCol;
			SamplerState sampler_MainTex;

			v2f vert(appdata v)
			{
				v2f o;
				//要使用GPU Instancing必须加上这句
				UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);

				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
				o.centerPos = mul(unity_ObjectToWorld, float4(float3(0, 0, 0), 1)).xyz;
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
				float hVal = smoothstep(_hmin, _hmax, o.worldPos.y - o.centerPos.y);
				float vVal = smoothstep(_vmin, _vmax, distance(o.worldPos.xz, o.centerPos.xz));
				float hvVal = hVal * vVal;
				o.hvVal = float3(hVal, vVal, hvVal);
				float hVertexOffset = hvVal * _hOffset;
				float2 vVertexOffset = (o.worldPos.xz - o.centerPos.xz)*hvVal*_vOffset;
				float2 wind = _windOffset * hVal*_SinTime.w;
				float roleDis = (1 - distance(o.worldPos.xz, rolePos.xz));
				float2 roleNor = (o.worldPos.xz - rolePos.xz)*step(0, roleDis)*(roleDis*_roleMul);
				float2 rolePosXZOffset = vVertexOffset   wind * (1 - roleNor)   roleNor * hVal;
				float rolePosYOffset = hVertexOffset - saturate(roleDis*_roleHOffset);
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex   float3(rolePosXZOffset.x, rolePosYOffset, rolePosXZOffset.y));
				return o;
			}

			half4 frag(v2f i) : SV_Target
			{
				//要使用GPU Instancing必须加上这句
				UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(i);
			// sample the texture
			half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
			clip(col.a - 0.5);
			return col;
		}
			ENDCG

		}
		*/
    }
}

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