【Unity】GPU骨骼 GPU Spine动画 2D/3D渲染性能开挂 合批渲染 支持武器挂载 动画事件 动画融合 实时获取骨骼位置_gpu animation + brg

 GPU 3D骨骼动画和 GPU 2D Spine动画插件均包含在【万人同屏整合方案】中，老板们可在某宝搜：[游戏开发资源商店] 以获取全套方案的所有源码插件。

 

 

插件功能：

1. 支持3D动画转GPU动画 

2. 支持2D Spine动画转GPU动画

3. 支持挂点、支持挂载物、动态切换挂载物、实时获取挂点Transform信息

4. 支持实时获取gpu动画信息，如动画帧数、动画时长、动画是否循环

5. 支持动画事件

GPU骨骼动画视频介绍：

GPU动画是实现万人同屏的前置条件，在之前的文章中已介绍过GPU顶点动画的实现方法：【Unity】渲染性能开挂GPU Animation, 动画渲染合批GPU Instance_skinmeshrender合批-CSDN博客

GPU顶点动画的优缺点：

GPU顶点动画是将每一帧动画的Mesh顶点/法线存入贴图，在Shader中直接读取顶点/法线使用。

优点：由于没有过多的计算，因此性能较高；

缺点：如果一个模型有多个SkinnedMeshRenderer需要先合并Mesh； 生成的动画/法线贴图较大；不支持切换挂载武器；

GPU骨骼动画的优缺点：

GPU骨骼动画是将每一帧动画的所有骨骼的矩阵信息存入贴图，每一个顶点至多受4根骨骼影响，在Shader中用这4根骨骼的矩阵和4根骨骼对应的蒙皮权重对顶点位置和法线进行变换，得到受骨骼影响后的顶点/法线值。

优点：动画贴图很小；无需合并Mesh；支持挂载武器切换；可以实时获取到某个挂点位置

缺点：需要一定计算量，因此性能比顶点动画略低；

GPU骨骼动画实现：

一，读取骨骼数据，生成动画贴图，Mesh

 1. 获取蒙皮动画的骨骼信息：

可通过SkinnedMeshRenderer的rootBone查找到根骨骼，或者直接使用bones字段，该字段为SkinnedMeshRenderer关联的所有骨骼的Transform数组；

2. 从动画曲线获取每个动画帧记录的骨骼Transform数值：

以获取动画每帧的骨骼位置为例：

private Vector3 GetBonePositionAtTime(string bonePath, AnimationClip clip, float animTime)
{
    var localPosXCurve = EditorCurveBinding.FloatCurve(bonePath, typeof(Transform), "m_LocalPosition.x");
    var localPosYCurve = EditorCurveBinding.FloatCurve(bonePath, typeof(Transform), "m_LocalPosition.y");
    var localPosZCurve = EditorCurveBinding.FloatCurve(bonePath, typeof(Transform), "m_LocalPosition.z");
 
    Vector3 pos = Vector3.zero;
    pos.x = AnimationUtility.GetEditorCurve(clip, localPosXCurve).Evaluate(animTime);
    pos.y = AnimationUtility.GetEditorCurve(clip, localPosYCurve).Evaluate(animTime);
    pos.z = AnimationUtility.GetEditorCurve(clip, localPosZCurve).Evaluate(animTime);
    return pos;
}

3. 将骨骼矩阵写入动画贴图：

把矩阵的前3行数值，以骨骼个数为偏移量分别写入动画贴图：

for (int boneIdx = 0; boneIdx < bones.Length; boneIdx++)
                {
                    var bone = bones[boneIdx];
                    bool noBone = bone.GetComponent<MeshRenderer>() != null;
                    if (!noBone && bone.TryGetComponent<SkinnedMeshRenderer>(out var sMeshRender) && sMeshRender.rootBone == null)
                    {
                        noBone = true;
                    }
                    var boneMatrix = bone.localToWorldMatrix;
                    if (!noBone)
                    {
                        boneMatrix *= bonesW2LMatrices[boneIdx];
                    }
 
                    animBoneTex.SetPixel(boneIdx, curFrameIndex, boneMatrix.GetRow(0));
                    animBoneTex.SetPixel(bonesCount + boneIdx, curFrameIndex, boneMatrix.GetRow(1));
                    animBoneTex.SetPixel(bonesCount * 2 + boneIdx, curFrameIndex, boneMatrix.GetRow(2));
                }

4. 将每个动画的开始帧/结束帧、动画时常、动画是否循环播放的信息写入动画贴图的最后一列像素 

 5. 生成Mesh网格：

有了骨骼信息的动画贴图，还需要知道每个顶点受哪些骨骼影响，才能在Shader中取到对应的骨骼信息对顶点和法线进行变换；

为了节省资源和读取方便，我们可以直接把顶点关联的4根骨骼以及每根骨骼的权重分别塞到Mesh的UV2和UV3两个通道。

 二、GPU骨骼动画Shader实现：

 1. 从动画贴图中解析当前动画的起始/结束帧，根据是否Loop来计算出当前动画帧：

 2. 以当前帧为动画贴图采样的V坐标，采样获取所有骨骼矩阵每行数值，构建骨骼矩阵并计算顶点/法线：

3.  通过自定义函数得到转换后的顶点坐标和法线并应用到GPU骨骼动画shader:

 这样就完成了GPU骨骼动画功能，切换动画时传入动画Index和当前时间Time.time，动画片段将自动从起始帧开始播放，并且完美支持动画是否循环。对于在骨骼上挂载的武器，无论是MeshRenderer还是SkinnedMeshRenderer都完美支持，因为挂载武器的节点Transform本身也作为骨骼写入到了动画贴图，Shader中会自动通过骨骼的Local2WorldMatrix对顶点进行变换，自然而然武器就会跟着骨骼动。

三，获取挂点位置 

例如GPU动画人物手里拿着一把枪，发射子弹时就需要在枪口的位置创建并发射子弹，由于GPU动画已经没有了骨骼Transform，枪口的位置怎么获取呢？

GPU动画因为是纯Shader实现，所以切换动画只需要修改材质的ClipId属性即可，其中x作为动画索引，y作为动画播放的开始时间，即Time.time。

有了动画索引和播放的开始时间，我们就可以得到当前动画已经播放了多久，根据已经播放时长就可以算出动画播到了第几帧，通过第几帧就可以从动画贴图读出任意骨骼的矩阵，这样就实现了随用随取的高性能获取挂载点位置、旋转、缩放。

四，GPU动画帧事件： 

GPU动画转换工具会自动把Animation Clip中包含的事件数据保存到文件里，无需手动处理。并且支持随意增删事件。

GPU动画事件同时支持 Mesh Renderer渲染和BRG渲染。

两种渲染模式触发逻辑不同：

1. 使用MeshRenderer渲染只需挂载一个事件脚本，然后就像为Button添加/移除监听事件一样简单。

2. 使用BRG渲染, BRG提供了获取触发事件的接口，接口使用Jobs检测当前帧触发的事件，并将事件列表返回，由用户在主线程自行调用触发。大大提升了海量GPU动画单位事件触发性能。

同时GPU动画事件处理时会进行插帧计算，不会因为卡顿问题导致跳过动画事件的触发。

例如：一个弓箭手射箭动画，动画前大部分是搭箭、拉弓，动画最后一帧才松手，为了显示效果同步，就需要在最后一帧弓箭手松手时让箭发射出去，而不是在搭箭/拉弓的时候就发射箭。通过使用帧事件就能完美卡点解决这个问题。

五，GPU动画过渡/融合： 

 目前市面上的GPU动画插件要么是没有动画融合，要么就是使用脚本计算融合，会导致性能大打折扣。为了保证性能优先、兼容性高，最佳方案还是纯shader处理。

如何用最小的代价实现GPU动画平滑过渡呢？GPU动画切换动画时需要修改material上的shader参数clipId(Vector4)，其中x为动画clip的索引，y为动画切换时间，zw是预留属性，暂未用到。

已知clip索引和切换动画的时间就可以轻易计算出动画已经播了多久，进而计算出播到第几帧，然后通过帧数就可以从动画贴图中读取到当前帧所有骨骼的Transform信息，然后所有骨骼从当前的Transform数值平滑过渡到下一动画clip索引的第一帧骨骼Transform不就能实现骨骼平滑过渡了吗？我们还需要指导上一个动画索引和上一个动画开始播放的时间，正好存入预留的zw中。

GPU 2d Spine动画实现：

有多个网友反馈有2D GPU动画的需求，不过我们通常会认为2D很难存在渲染瓶颈，然而并非如此。经过实际测试同屏显示相同的动画人物，1W个Spine动画 vs 1W个Animator动画。测试结果令人大跌眼镜！Spine动画和Animator动画性能接近，1W单位下都只有8帧左右。要知道，我们之前测试的五百多顶点的3D人物，同数量级下能达到近9帧左右。Spine动画性能竟然如此之差！

看来对于数量级超过百、千单位的项目，非常有必要使用GPU Spine动画。

 实现原理其实就是把Spine动画转换为Animator动画，由于2D动画都是有面片Mesh组成，z轴全为0. 因此必须解决渲染层级的问题，这一转换过程需对Mesh进行修改以使得渲染层级正确。转换为Animator动画后就可以使用我们的GPU动画转换工具直接进行转换，同样支持顶点动画/骨骼动画两种模式。

同屏1W个单位测试环境下，Spine动画转换为GPU 2D动画后帧数直接提升10倍以上，使用万人同屏方案合批渲染功能后，相比Spine动画提升接近恐怖的40倍，对于2D割草游戏绝对是最佳方案。