Unity中基于Gpu Instance进行大量物体渲染的实现与分析（一）_unity 大量对象同屏

                                                  图  一个使用gpu instance绘制4000棵树的场景 

         在3D渲染中，尤其是现代3D游戏中，我希望能够绘制越来越多的场景物体，这对于设备（尤其是移动端）的性能是个极大的考验，对于新一代的渲染api，都逐渐支持了Gpu Instancing技术，这对于大量相同物体的绘制提供了一个新的方案，在最新的unity5中也提供了对gpu instance 的支持，我尝试在unity5中利用gpu instance 技术来表现大量的植被，并对其性能进行了分析，以探索在3D手游中gpu instance的应用的可行性。

关于Gpu Instance

        Gpu Instance是一种用来提高渲染大量物体效率的技术，随着手游游戏品质需求的提升，我需要在场景里绘制越来越多的物体，这里面主要涉及两个方面的性能瓶颈，一是cpu对gpu提交数据的次数（包括设置数据buffer，渲染状态以及调用对渲染原语的绘制即drawcall），二是gpu上的绘制（包括顶点处理和像素绘制），随着场景物体的提升，cpu和gpu的压力都会上升。目前在一些典型的3D游戏的制作中，我们的经验值是全屏不超过10万个顶点和200个draw call左右，不然对中端机器会有一定压力。

      为了解决场景绘制效率这个问题，主要有以下几种优化方案：

•     static batching： 即静态合批，静态合批的原理即化整为零，将多个场景物体预先合成一个大的物体进行绘制，unity5的实现就是整合成一个大的vbo，而不整合IBO，一次性提交vbo给gpu，然后并不是把整个vbo都绘制，而是每次需要绘制其中某个某些物体时改变IBO，选择大vbo上的某一段进行绘制。静态合批可以将多个小物体的绘制合并成一个大物体的绘制，减少对渲染状态的改变，它一次并行绘制多个物体，理论上是最快的绘制方法，不过最大的缺点是因为合成新的大vbo需要耗费额外的大量内存，同时不能渲染动态物体，因为合并vbo的时候已经确定顶点数据了，顶点数据不能更改（例如unity5对LOD合批的实现也是讲所有层次的lod都预先合并进去），另外一个vbo的大小是有限制的，如果物体数量过多，也会被拆成多个绘制。
• dynamic batching：动态合批，可以解决对顶点数据有变化的物体的合批，它动态的合并vbo进行提交，组建vbo的时间有消耗，为了减少这个消耗，unity对动态合批的vbo大小有限制，以致于很小顶点数的物体才有可能被动态合批。
• vertex constant instancing：Instancing 是不同于batching的另一种方案，它的原理是对于模型一致的物体，只提交原始的模型的vbo给gpu，然后将每个物体不同的属性单独抽出来组成buffer发给gpu，在显卡中根据这一份vbo和每个物体不同的属性来绘制多个物体，即一次提交，在gpu上绘制多个，对于大量同样模型的物体绘制是一个很好的方案。vertex constant的instancing是利用顶点常量属性来存储这些per instance attributes，但是也需要一个大的vbo存储所有未经顶点变换的相同的n个原顶点数据，在shader里面读取不同的vertex constant内容绘制不同的instance
• gpu instancing：这是最新渲染api提供的一种技术，如果绘制1000个物体，它将一个模型的vbo提交给一次给显卡，至于1000个物体不同的位置，状态，颜色等等将他们整合成一个per instance attribute的buffer给gpu，在显卡上区别绘制，它大大减少提交次数，它在不同平台的实现有差异，例如gles是将per instance attribute也当成一个vbo提交，然后gles3.0支持一种per instance步进读取的vbo特性，来实现不同的instance得到不同的顶点数据，这种技术对于绘制大量的相同模型的物体由于有硬件实现，所以效率最高，最为灵活，避免合批的内存浪费，并且原则上可以做gpu skinning来实现骨骼动画的instancing。

Unity5中实现instance