基于 Dots + GPU Instance 的大规模物体渲染

        之前写的两篇开放世界技术栈都是公司其他同事做的，所以很多细节了解不详细。但这次是全程我自己搭建的轮子，可以讲得稍微详细些。

        之前写的大规模物件渲染的 GPU 版本，虽然渲染量大效率高，但是有个很致命的缺陷：无法与游戏逻辑进行交互。因为主要渲染数据都是放在 GPU 中，为了效率要尽可能减少异步回读，也要尽量减少同步数据量，所以要物体与逻辑交互就基本不可能了。但是使用 Unity 的 Dots 系统再加上 GPU Instance 技术，就可以很好地解决这个问题。
 

0、观前提醒

        这篇文章不是写给初学者的，甚至对于有经验的程序员难度也不小。阅读前确保你已经对 Unity 的 Dots 系统非常熟悉，且对渲染管线有些许了解，更重要的是，要有优秀的抽象能力。

        后续我会把这套系统做成插件包放出来在下面的库中（现在还不是很完善），等我这段时间工作忙完了再来整理这个库。

魔术师Dix / Unity 通用库：紫苑 · GitCodeUnity 的各种通用库 ： 紫苑（Aster），基于 ECS 1.0+ 2023.2.5+ 包含方便调用的简化API、数据格式。 会包含我所需要的通用工具、数学计算、编辑器方法、多线程辅助、ECS等； 未来会增加ECS渲染、寻路、BVH、OBB等功能；https://gitcode.net/cyf649669121/Aster     等我把这个库整理完善之后，再开发一些工具、调试器等供大家使用。我最终的目的，还是希望这一套系统能达到傻瓜也能用的地步。

1、原理解释

        一般来讲，渲染一个物体，需要知道其网格、材质球、位置、旋转、缩放、材质球属性即可。而对于同一类物体（材质球与网格均相同），不同实体的区别也就是位置、旋转、缩放；也即 LTW： Local To World。

        Unity 的 GPU Instance接口： Graphics.DrawMeshInstanced ，其中需要动态改变的参数，大部分情况下只有 Matrix4x4[] ，可能还会有 MaterialPropertyBlock 的修改。

        Unity 的 GPU Instance接口有多个，这里只用 DrawMeshInstanced 举例。使用其他的方法也是可以的，但是使用条件会有所不同（比如需要Shader支持）。

        这里只用 Graphics.DrawMeshInstanced 进行设计，因其适配性最好：只需要材质球能勾上 Enable GPU Instancing 即可。当然，如果条件允许，使用 Graphics.DrawMeshInstancedIndirect 是性能最好的方案。

        因此，在ECS中，将所有待渲染部件的 LTW 记录下来，并计数，然后将数据传给主线程，调用GPU Instance 的API即可完成渲染。

2、部件与渲染数据

        在介绍业务流程之前，需要先了解一些概念。

        对于所有的预制体（Prefab），我按照单个 MeshRender 将其拆分成单个部件，以下图的一个农场模型作为示例：

        这个 Prefab 一共由3个部分组成：地板、风车、房子，也就是图中的3个 MeshRender。我将每一个独立的 MeshRender 的数据收集起来视为一个独立的渲染数据（下文中的RenderData）：包含网格、材质球、阴影等配置，放在主线程以备上屏时调用。

        对于这个预制体，其父节点会生成一个空 Entity（Dots中的Entity），每一个子节点生成一个 Entity，然后与父节点关联。这里每一个子节点生成 Entity，就是渲染部件（RenderChild），是渲染的最小单位。

3、渲染流程

        这里要注意一点，在离线时，我会预先将所有的预制烘培成适合 ECS 的数据结构，所有预制都转换成只有一个父节点的层级关系（所有带MeshRender组件的父节点都是预制的根节点），这样就可以不用考虑父子节点的旋转问题了。

        之后根据离线数据和游戏逻辑（例如服务器下发单位），创建与 单位Entity（Rendre Parent Entity，游戏逻辑的最小单位）。之后根据离线烘培的数据，给单位Entity挂载渲染部件。之后经过 System 的逻辑处理，统计处需要上屏的单位，将其部件数据收集在各个渲染数据Entity（与 RenderData 对应）中。

        最终上屏时，按照 Unity 的接口提供对应数据，以 DrawMeshInstanced 为例，我这里直接将 ECS 里的数据拷贝出来了：

//内存拷贝
private static unsafe void CopyTo(NativeArray<float4x4> srcVectors, Matrix4x4[] outVectors)
{fixed (Matrix4x4* dest = outVectors){void* sourceData = srcVectors.GetUnsafeReadOnlyPtr();UnsafeUtility.MemCpy(dest, sourceData, UnsafeUtility.SizeOf<float4x4>() * srcVectors.Length);}
}

        我这么写了还是很简略，毕竟这个不是手把手教程，而且毕竟我有计划写开放库放出源码，所以解释就较为简单。

4、一些细节问题

        最开始这一套是从 SLG 游戏做出来的，可以支持大量的单位渲染（包括下图中的树木、建筑、行军、地面装饰物等）。

• 如何处理LOD？

        在每一个部件里都存储有 LOD 信息，LOD分级、以及各个LOD对应的部件ID（提前预烘焙好）。对于SLG游戏，一般是固定俯视角，会使用全局LOD，这种也是支持的。
       在 ECS 根据相机距离计算出当前的 LodID ，然后在收集数据的时候收集当前的 LOD 对应的 MeshType 即可。这种做法在 GPU 里也是通用的。LOD 的计算参考：

【Unity】LODGroup 计算公式_unity lodgroup-CSDN博客文章浏览阅读834次。Unity 在配置 LodGroup 时，其分级切换的计算方法是按照物体在相机视野中占据的比例计算的。在运行时，如果相机视野范围（Field of View）没有改变，那么这个值可以直接换算成物体距离相机的距离。这里就讨论下如何计算得到这个距离。_unity lodgrouphttps://blog.csdn.net/cyf649669121/article/details/133308591         也有一种实现方式，是将对应的部件新增一个，当做一个新的 Entity，并在运行时判定是否显示对应的部件。如下图所示，每一个矩形代表一个 Entity，在不同 Lod 的就显示不同的 Entity，其他组件则会隐藏。

        两种方式更建议第一种，但第二种实现难度小。       

• 如何处理动画？

        如果是 SkinMeshRender ，也就是骨骼动画，可以使用 GpuSkin，网上有很多方案这里不细讲。使用 GpuSkin，因为其本身也是并行的，和 ECS 可以很好地结合起来。但缺点就是动画状态机的控制，一般是很简单的控制，否则在 ECS 里实现很困难。同样的，动画数量也不建议太多，否则需要烘培的动画贴图也会占用很大资源。

        如果是传统 Animation，这种就只有程序写动画了。所以复杂、特殊效果的动画，也不适合用这套系统。

• 如何设置Shader参数？

        这里以面片树作为例子，所有的树都是用的同一个 Material 和 Mesh，只有贴图的UV不同从而实现不同树木的表现：

        这里我们需要将每一个渲染部件（也就是一个面片树）的Offset、Tiling离线收集起来，然后在收集最终上屏数据的时候，给渲染实体（RenderDataEntity）挂一个额外的 IBufferElementData，之后上屏之前读取出来，通过 MaterialPropertyBlock 进行赋值即可。这样处理仍然可以合批。

• 如何定制单位渲染流程？

        参考上一个面片树的例子，还有一个问题就是需要对面片树增加一个特殊的 DrawCall 来执行 PreZ，否则面片树在矩阵变换后Z轴重叠导致闪烁。

        因为每一个部件都是单独的一套配置，我在这套配置里增加了一项，即可按照我配置的类型进行特殊预处理，增加一次 PreZ。

• 单位剔除问题

        单位剔除没有按照部件，而是按照单位进行剔除的。一个单位（例如上面的一个农场）就按照其包围盒进行剔除，且使用 ECS 多线程并行。

【Unity】相机视锥体剔除算法_unity视椎体剔除-CSDN博客文章浏览阅读3.7k次，点赞2次，收藏10次。视锥体剔除是Unity常用的剔除方法，其原理就是通过判定目标包围盒与组成相机视锥体的6个平面进行同侧判定，只要在6个平面之间的包围盒即为可见。本文根据其原理，给出一个视锥体裁剪的剔除算法的实现，并兼容ECS。_unity视椎体剔除https://blog.csdn.net/cyf649669121/article/details/125779899        对于 SLG 游戏这种固定俯视角的，还可以使用更简单的剔除方式：

【Unity】俯视角相机地面视野范围的计算_unity相机视野范围-CSDN博客文章浏览阅读3.9k次，点赞4次，收藏16次。在SLG等游戏中，相机总是固定为俯视角（上帝视角）。为了更好地管理游戏数据，需要对地图进行分块，只处理视野内的部分。判定某个单位是否在视野内有很多方法了，但是要么不够精确，要么性能不够，要么无法与AOI配合。 一个可行的方案就是将相机在地面上的视野计算出一个AABB 2D 包围盒，然后基于此包围盒来计算 AOI、显隐等。这个方案效率够高，而且对俯视角适配较好。_unity相机视野范围https://blog.csdn.net/cyf649669121/article/details/127529668

• 如果渲染单位超过1024个了怎么办？

        这里的处理方案就是在 RenderDataEntity 上挂载一个 ComponentData ，标记另一个同样类型的 RenderDataEntity ，形成一个类似链表的数据结构。如果自身需要渲染的部件数量超过设定值（例如1024），就切换到下一个渲染实体。

        在实际开发过程中，超过 1024 的情况还是很少的，更多的根据项目实测，为了节约内存会限定单个 RenderDataEntity 的最大渲染数量（例如128）。毕竟，记录各个部件的 Transform 信息的 Buffer 需要一开始就初始化好，自然能省一点是一点。

• 如何将预制体转换成所需要的数据？

        我自己是写了一个工具进行转换（具体参考工程里的代码），在离线情况下收集所有需要渲染的预制体，然后烘培成纯数据。虽然理论上可以在线试试转换，但我不建议这样做。

        实际上转换后，原有的预制体就不需要了。所以后面我的做法，都是在专门的美术工程里进行数据整理、烘焙，正式工程里只有纯数据。

5、优势与限制

优势：

1. 完美的合批！（除了 DrawMeshInstanced 有 1024 个的限制外，能完美合批）；
2. 高性能，支持大批量物件渲染；
3. 能与主线程进行逻辑交互；
4. 可以在 ECS 系统里可定制化一些特殊功能；

劣势：

1. 技术水平要求较高，需要熟练掌握 Dots ECS 体系才能良好维护。
2. 无法使用动画（只能程序实现一些简单效果）
3. 不支持多材质球、多Mesh的模型（需要拆分）

除此之外，还有以下情况不建议使用这套系统：

1. 独特物体：一般来讲，单个物体会有独特的模型、效果和控制方式，而在ECS控制起来较为困难，且没有什么效率提升。
2. 静态物体：静态海量物体（不会移动、形变等）建议使用下面的方案使用GPU来处理，效率更高。GPU驱动的大规模静态物件渲染-CSDN博客文章浏览阅读745次，点赞9次，收藏18次。GPU Driven 的静态物件渲染，听起来很高级，其实具体操作很简单，基础就是直接调用 Graphics.DrawMeshInstancedIndirect 这个 Unity 内置接口就可以了。但我们项目对这个流程做了一些优化，使得支持的实体数量有大幅提升。这套系统主要也是公司的 TA 实现的，这里我也只简明扼要地介绍一下原理。https://blog.csdn.net/cyf649669121/article/details/141222437