由浅到浅入门批量渲染（四）

作者：zt枸杞忧天 腾讯游戏学院 2021-01-06

上回（由浅到浅入门批量渲染（三））简单总结了一下实例化渲染，这次我们说说优化骨骼蒙皮动画。

前言

试想一下，当我们在游戏场景中放置大量（成百上千）带有骨骼蒙皮动画的单位时，会发现帧数已经开始下降，这是为什么呢？

经过多年研究，我发现，造成这种情况的根本原因是：放的太多了。

然而，在开发某些类型的游戏（如策略或即时战略等）时，通常又需要尽可能的多放些小兵或者怪物，来烘托战场气氛。

需要呈现大量的角色，又需要保证性能，是一件挺麻烦的事情；如果你也在尝试解决这个问题，并且暂时还没有找到合适的方法，那接下来要讲的内容可能会帮到你；因为我们将进入这一系列（从浅到浅）的下半部分：总结目前较为成熟的针对骨骼蒙皮动画的优化方案。

骨骼蒙皮动画的开销

“欲练神功，必先自宫”是笑傲江湖中非常有名的一句台词，它也是神功《葵花宝典》和《辟邪剑法》武功秘籍上的第一句话。以前听到它时只是感觉这就是邪魔外道武功的一个符号罢了；但现在想来，当时还是年轻了，没看懂。它其实是一条学习任何技能、知识的诀窍，也是一把打开成功之门的钥匙。


葵花宝典上的斑斑血迹记录了多少悲伤故事

其实，这句话想传达的真正意思是：做事情，要打好基础。

所以，要优化骨骼蒙皮动画，就要先简单了解下它的性能瓶颈所在。

骨骼蒙皮动画的流程

可以简粗（简单粗暴）的将骨骼蒙皮动画的工作流程分为以下几个阶段：

播放动画阶段

动画控制器会根据关键帧信息等，调整骨骼的空间属性（旋转、缩放、平移）。

计算骨骼矩阵阶段

从根骨骼开始，根据层级关系，逐一计算出每一根骨骼的转换矩阵。

这个矩阵连接的是这根骨骼的本地坐标系和角色坐标系（通常会是角色脚下）；也就是说通过它可以在某一帧动画结束后，将（某一根）骨骼坐标系下的坐标或向量，转换到角色坐标系下。

蒙皮阶段

更新网格上每个顶点的属性。

由于动画改变的是骨骼而不是顶点的空间属性；而且网格中的顶点是相对于网格坐标系下的，并非在角色坐标系下。所以在这一阶段，我们首先要依据创建骨骼蒙皮动画时，被记录下来的顶点和骨骼的关系，找到对应的骨骼（Unity中通过Mesh.boneWeights获取，一个顶点最多可受到四根骨骼影响）。

其次，通过网格坐标系到骨骼本地坐标系的转换矩阵（Unity中通过Mesh.bindposes获取），来建立从网格坐标系到骨骼坐标系的桥梁；结合上阶段得到的骨骼坐标系到角色坐标系的转换矩阵，实现将动画对骨骼的影响最终作用到顶点上，并将其更新到角色坐标系下。


渲染阶段

当顶点变换到角色坐标系下后，就可以进行渲染了。这里与一次普通的渲染没什么太大差别，唯一需要注意的是，Unity不会对蒙皮网格渲染器进行合批，所以每一个骨骼蒙皮动画实例都至少需要一次DrawCall。

骨骼蒙皮动画的开销

可以将骨骼蒙皮动画的主要开销，也简粗的分成以下几个部分：

• 更新动画的开销
• 计算骨骼矩阵的开销
• 蒙皮开销
• 渲染开销
  

这里我创建了一个简单的场景，来简单测试下这些开销。

使用Unity 2018.4.14f1版本创建一个测试场景，场景中包含500个使用相同模型的骨骼蒙皮动画角色，并循环播放空闲、移动、攻击动画；测试机是华为P20（Geekbench5得分约为1400），通过Profiler查看运行耗时。


我们把与骨骼蒙皮动画有关的主线程运算开销整理出来，看一下在骨骼蒙皮动画工作时哪些计算耗时最多。


可以发现，动画更新的耗时占比最高，其次是蒙皮网格的更新（计算矩阵、蒙皮等），最后是渲染。

需要指出的是，我使用的Unity（版本2018.4.14f1）将动画更新和蒙皮放到了工作线程中；所以像蒙皮这种“逐顶点、理论上应该开销很大的操作”带来的耗时增加，并没有体现在主线程中；而且我在打包时也没有勾选多线程渲染（Multi-threadedRenderer），所以渲染指令的调用也都发生在主线程。


常见优化方式

Unity下可以通过以下两种方式快速优化骨骼蒙皮动画：

• 在导入模型时进行的优化
• 在打包设置中开启GPU蒙皮
  

这两者的优化效果怎么样呢。

导入模型时的优化


勾选模型导入设置进行优化

在相同的测试环境下，再次进行测试后可以发现，这种方法确实可以产生一定效果。

其原因我认为主要有以下两点：

不再为骨骼创建不必要的游戏对象

对导入模型进行优化后，Unity将不会为骨骼创建实际的游戏对象了（我们也可以暴露出一些骨骼作为挂点）。



计算矩阵被移到工作线程

除此之外，Unity还会将计算骨骼矩阵的操作放到工作线程中，来减少主线程耗时。


GPU蒙皮

开启GPU蒙皮，Unity会通过ComputeShader的方式，使用GPU进行蒙皮。


GPU上有大量的ALU（算数逻辑单元），可以并行大量的数值计算，效率较高，应该很适合这种针对顶点属性的数值计算。

但是实际情况是：在移动设备上使用GPU蒙皮反而会使主线程的耗时增加。


通过Profiler可以发现，CPU把更多的时间放在了执行ComputeShader上，由于骨骼动画的实例很多（500个），所以这个调用时间本身成为了性能热点。


所以，以目前的情况来看，这种在移动设备上使用GPU蒙皮的方式，似乎不适合处理大量骨骼蒙皮动画实例（也许是我使用的方式存在问题）。

写在最后

我们简单总结了骨骼蒙皮动画的工作方式，分析了主要的性能开销及耗时，以及比较了Unity中常用的两种优化方式。

但在面对数以千计的角色表现需求上时，无论使用何种Unity自带的优化，都显得有些力不从心；所以下次的更新，将介绍两种目前较为有效、成熟的“奇技淫巧”，来（一定程度上）解决这个问题。

相关阅读：

由浅到浅入门批量渲染（三）
由浅到浅入门批量渲染（二）
由浅到浅入门批量渲染（一）


来源：腾讯游戏学院
原文：https://gameinstitute.qq.com/community/detail/133615

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