Unity3D 实现骨骼动画的 GPU Skinning 详解

引言

在游戏开发中，骨骼动画是一种常见的动画技术，它通过骨骼的变换来驱动模型的顶点变化，从而实现角色的动画效果。传统的骨骼动画通常在 CPU 上进行计算，但随着硬件的发展，GPU 的计算能力越来越强，GPU Skinning 技术逐渐成为优化骨骼动画性能的重要手段。本文将详细介绍如何在 Unity3D 中实现 GPU Skinning，并提供相关的代码实现。

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1. 什么是 GPU Skinning？

GPU Skinning 是一种将骨骼动画的计算从 CPU 转移到 GPU 的技术。传统的骨骼动画在 CPU 上计算每个顶点的最终位置，然后将结果传递给 GPU 进行渲染。而 GPU Skinning 则是将骨骼的变换矩阵传递给 GPU，由 GPU 在顶点着色器中计算每个顶点的最终位置。

1.1 传统 CPU Skinning 的流程

1. 骨骼变换计算：在 CPU 上计算每个骨骼的变换矩阵。
2. 顶点变换：对于每个顶点，根据其绑定的骨骼权重，将顶点位置与骨骼变换矩阵相乘，得到最终的顶点位置。
3. 传递给 GPU：将变换后的顶点数据传递给 GPU 进行渲染。

1.2 GPU Skinning 的流程

1. 骨骼变换计算：在 CPU 上计算每个骨骼的变换矩阵。
2. 传递给 GPU：将骨骼变换矩阵传递给 GPU。
3. 顶点变换：在 GPU 的顶点着色器中，根据顶点的骨骼权重和骨骼变换矩阵，计算每个顶点的最终位置。

1.3 GPU Skinning 的优势

• 性能提升：将计算密集型任务从 CPU 转移到 GPU，充分利用 GPU 的并行计算能力。
• 减少 CPU 负担：CPU 只需要计算骨骼的变换矩阵，而不需要处理每个顶点的变换。
• 适合大规模角色动画：在需要同时渲染大量角色的场景中，GPU Skinning 可以显著提高性能。

2. Unity3D 中的 GPU Skinning 实现

在 Unity3D 中，GPU Skinning 的实现主要依赖于 Shader 和脚本的结合。我们需要编写一个自定义的 Shader，在顶点着色器中实现骨骼变换的计算，并通过脚本将骨骼的变换矩阵传递给 Shader。

2.1 准备工作

在开始之前，确保你已经有一个带有骨骼动画的模型，并且该模型的骨骼权重和骨骼信息已经正确设置。

2.2 编写 GPU Skinning Shader

首先，我们需要编写一个支持 GPU Skinning 的 Shader。以下是一个简单的 GPU Skinning Shader 示例：

Shader "Custom/GPUSkinning"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

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

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 blendWeights : TEXCOORD1;
                float4 blendIndices : TEXCOORD2;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4x4 _BoneMatrices[100]; // 假设最多支持 100 个骨骼

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;

                // 获取骨骼索引和权重
                int index0 = (int)v.blendIndices.x;
                int index1 = (int)v.blendIndices.y;
                int index2 = (int)v.blendIndices.z;
                int index3 = (int)v.blendIndices.w;

                float weight0 = v.blendWeights.x;
                float weight1 = v.blendWeights.y;
                float weight2 = v.blendWeights.z;
                float weight3 = v.blendWeights.w;

                // 计算顶点位置
                float4 pos = mul(_BoneMatrices[index0], v.vertex) * weight0;
                pos += mul(_BoneMatrices[index1], v.vertex) * weight1;
                pos += mul(_BoneMatrices[index2], v.vertex) * weight2;
                pos += mul(_BoneMatrices[index3], v.vertex) * weight3;

                o.pos = UnityObjectToClipPos(pos);
                o.uv = v.uv;

                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

2.3 编写脚本传递骨骼矩阵

接下来，我们需要编写一个脚本，将骨骼的变换矩阵传递给 Shader。以下是一个简单的脚本示例：

using UnityEngine;

public class GPUSkinning : MonoBehaviour
{
    public SkinnedMeshRenderer skinnedMeshRenderer;
    public Material gpuSkinningMaterial;

    private Matrix4x4[] boneMatrices = new Matrix4x4[100]; // 假设最多支持 100 个骨骼

    void Update()
    {
        if (skinnedMeshRenderer == null || gpuSkinningMaterial == null)
            return;

        // 获取骨骼的变换矩阵
        var bones = skinnedMeshRenderer.bones;
        for (int i = 0; i < bones.Length; i++)
        {
            boneMatrices[i] = bones[i].localToWorldMatrix * skinnedMeshRenderer.sharedMesh.bindposes[i];
        }

        // 将骨骼矩阵传递给 Shader
        gpuSkinningMaterial.SetMatrixArray("_BoneMatrices", boneMatrices);
    }
}

2.4 应用 GPU Skinning

1. 将上述 Shader 保存为 GPUSkinning.shader，并创建一个材质球，使用该 Shader。
2. 将脚本 GPUSkinning.cs 挂载到带有 SkinnedMeshRenderer 的游戏对象上。
3. 在脚本中，将 skinnedMeshRenderer 和 gpuSkinningMaterial 分别赋值给对应的 SkinnedMeshRenderer 和材质球。

2.5 运行效果

运行游戏后，角色的骨骼动画将由 GPU 进行计算，从而减轻 CPU 的负担，提升性能。

3. 优化与注意事项

3.1 骨骼数量限制

在 Shader 中，我们假设最多支持 100 个骨骼。如果模型的骨骼数量超过这个限制，需要调整 Shader 中的骨骼矩阵数组大小，并确保脚本中传递的矩阵数量与 Shader 中的定义一致。

3.2 骨骼矩阵的更新频率

在脚本中，骨骼矩阵的更新是在 Update 函数中进行的，这意味着每一帧都会更新骨骼矩阵。如果动画的更新频率较低，可以考虑将骨骼矩阵的更新放在 LateUpdate 或其他适当的时机，以减少不必要的计算。

3.3 多角色支持

在需要同时渲染多个角色的场景中，可以为每个角色单独设置骨骼矩阵，并确保每个角色使用独立的材质实例，以避免骨骼矩阵的冲突。

4. 总结

GPU Skinning 是一种有效的优化骨骼动画性能的技术，特别适用于需要同时渲染大量角色的场景。通过将骨骼变换的计算从 CPU 转移到 GPU，可以显著提升游戏的性能。在 Unity3D 中，通过编写自定义 Shader 和脚本，可以轻松实现 GPU Skinning。希望本文的介绍和示例代码能够帮助你在项目中应用 GPU Skinning 技术。

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