47.GPU Instancing

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  1. 47.性能优化-CPU-图形-GPU Instancing
    1. 47.1 知识点
      1. GPU Instancing 是什么
      2. 如何开启 GPU Instancing
      3. GPU Instancing 的使用限制
      4. 适合使用 GPU Instancing 的情况
      5. 更多
    2. 47.2 知识点代码
      1. Lesson47_性能优化_CPU_图形_GPUInstancing.cs

47.性能优化-CPU-图形-GPU Instancing

47.1 知识点

GPU Instancing 是什么

GPU Instancing 就是 GPU 实例化的意思，是一种减少 Draw Call、提高渲染效率的技术，主要用于批量绘制大量相同网格（Mesh）对象。

主要原理：

  1. 开启 GPU Instancing 后，Unity 会把一份网格和材质上传到 GPU。
  2. 同时会传递一批实例数据（包含每个物体的位置、旋转、缩放、颜色等）。
  3. GPU 通过实例化 ID 读取对应参数，动态计算世界坐标。
  4. 最终用一次 Draw Call 绘制出许多相同网格、相同材质的对象。

说人话：
CPU 用一次 Draw Call 告诉 GPU 要画一棵树，同时提供 N 棵树的坐标、旋转、缩放、颜色等数据，GPU 就能一次性批量绘制这 N 棵树。

注意：

  1. 与动态/静态批处理不同：动态/静态批处理需要在 CPU 端合并网格，会带来 CPU 合并计算与内存开销。
    GPU Instancing 把计算负担更多交给 GPU，CPU 只负责传数据。
  2. 一个对象同时开启时优先级：静态批处理 > GPU Instancing > 动态批处理。

如何开启 GPU Instancing

材质设置：

  1. 在需要进行 GPU Instancing 的材质球中，勾选 Enable GPU Instancing。
  2. 任意渲染管线中都可使用该功能。

操作实践：

  1. 对 Cube 和 Sphere 关闭静态批处理。
  2. 项目设置中关闭动态批处理。
  3. 材质勾选 GPU Instancing。
  4. 先失活球体，运行后可见 GPU Instancing 一次绘制了三个 Cube。
  5. 运行时激活球体，因渲染顺序原因会多几次 Draw Call，但仍能看到两个 Cube 被一起绘制。

GPU Instancing 的使用限制

核心限制：

  1. 相同网格：所有对象必须使用同一网格。
  2. 相同材质：材质需一致，贴图和 Shader 关键字不能变化；颜色、额外属性可以通过实例数据变化。
  3. 材质必须启用：勾选材质球上的 Enable GPU Instancing。
  4. 不支持 SkinnedMeshRenderer：仅支持 MeshRenderer 或 Graphics.RenderMesh 等 API 绘制的网格。

自定义 Shader 支持：

  1. 若是自定义 Shader，需要加入编译指令：
#pragma multi_compile_instancing
  1. 想支持不同颜色、金属度、透明度等，可参考官方文档：
    https://docs.unity.cn/cn/2023.2/Manual/gpu-instancing-shader.html

操作实践：

  1. 材质和网格都相同才能合批绘制，比如三个球体可以一起绘制。
  2. 只激活一个球体和一个 Cube 时无法合批，即便材质相同，但网格不同也不能合批。

适合使用 GPU Instancing 的情况

适合：

  1. 大量相同物体（草地、森林、石头、瓦片、建筑模型、子弹等）。
  2. 实例之间只有少量差异（颜色、亮度、缩放比例、UV 偏移等）。
  3. 动态物体但网格与材质固定，性能瓶颈在 CPU。
    动态批处理 CPU 开销大，静态批处理又不能移动，GPU Instancing 适合这种场景。

不适合：

  1. 每个物体材质或贴图不同，合批会被打断。
  2. 实例数量很少（几十个以内），GPU Instancing 可能比单独 Draw Call 更贵。
  3. 大量独立网格和材质，对象种类过多时收益小。
  4. SkinnedMeshRenderer（骨骼动画模型不支持）。

更多

Unity 还提供了相关 API 配合 GPU Instancing 使用，后续继续学习。

47.2 知识点代码

Lesson47_性能优化_CPU_图形_GPUInstancing.cs

public class Lesson47_性能优化_CPU_图形_GPUInstancing
{
    #region 知识点一 GPU Instancing是什么？

    // GPU Instancing 就是 GPU 实例化的意思
    // 它是一种减少 Draw Call，提高渲染效率 的技术
    // 主要用来批量绘制大量相同的网格（Mesh）对象

    // 它的主要原理
    // 当开启 GPU Instancing 后
    // Unity 会将一份网格和材质上传到 GPU
    // 并且还会传递一批实例数据（里面包含每个物体的位置、旋转、缩放、颜色等等）
    // GPU 收到数据后，会通过对象的实例化 ID 找到对应的参数，动态计算世界坐标
    // 让 GPU 在一次 Draw Call 中绘制出许多相同的对象

    // 说人话
    // GPU Instancing 利用 CPU 一次 Draw Call 告诉 GPU 的数据
    // GPU 自己根据数据绘制 N 个不同但是材质相同、网格相同的对象
    //
    // 比如：
    // CPU 只通过一次 Draw Call 告诉 GPU 要绘制树
    // 但是告诉了 GPU 这里 N 棵树的坐标、旋转、缩放、颜色等等数据
    // GPU 就利用这些数据批量的绘制 N 棵树

    // 注意：
    // 1.它和动态和静态批处理的原理区别在于
    //   动态和静态批处理它们都需要在 CPU 端合并网格，再告诉 GPU，一个批次依然是一个大网格
    //   这样在 CPU 端有合并计算和内存的开销
    //   而 GPU Instancing 中 CPU 不会有太多额外开销（因为它只负责传递数据，并不再计算）
    //   而是把开销交给了 GPU
    //   因为需要在 GPU 中根据数据进行更多矩阵运算，来绘制对象

    // 2.一个对象同时开启它们时，优先级为
    //   静态批处理 > GPU Instancing > 动态批处理

    #endregion

    #region 知识点二 如何开启GPU Instancing

    // 在想要进行 GPU Instancing 对象的材质球中
    // 勾选 Enable GPU Instancing

    // 在任意渲染管线中都可使用

    #endregion

    #region 知识点三 GPU Instancing的使用限制

    // 1.相同网格
    //   所有想要进行 GPU Instancing 处理的对象必须使用同一网格

    // 2.相同材质（颜色、额外属性可以变化；贴图、Shader 关键字不能变化）
    //   所有对象必须使用同一材质，并且 Shader 必须支持 GPU Instancing
    //   Unity 中默认 Shader 都支持它
    //   如果是自定义 Shader，满足基本处理只需要加入编译指令
    //   #pragma multi_compile_instancing
    //   如果想要支持不同颜色、金属度、透明度等等
    //   可以查看官方文档：
    //   https://docs.unity.cn/cn/2023.2/Manual/gpu-instancing-shader.html

    // 3.必须启用材质球上的 Enable GPU Instancing

    // 4.不支持 SkinnedMeshRenderer（蒙皮网格渲染器）
    //   只支持 MeshRenderer 或者 Graphics.RenderMesh 等 API 绘制的网格

    // 等等

    #endregion

    #region 知识点四 适合使用GPU Instancing的情况

    // 适合的情况
    // 1.大量相同物体时
    //   比如草地、森林、石头、瓦片、建筑模型、子弹等等
    // 2.实例之间只有少量差异
    //   不同颜色或亮度、不同缩放比例、不同 UV 偏移等等
    // 3.动态物体，但是网格和材质固定，性能瓶颈在 CPU 时
    //   动态批处理对 CPU 开销大；静态批处理又不能移动
    //   GPU Instancing 则既能支持移动，又减少 CPU 到 GPU 通信
    // 等等

    // 不适合的情况
    // 1.每个物体的材质/贴图不同
    //   GPU Instancing 要求材质一致，贴图差异会打断合批
    // 2.实例数量很少（几十个以内）
    //   这种情况 GPU Instancing 开销可能反而比 Draw Call 更大
    // 3.大量独立的网格和材质
    //   如果对象种类太多，GPU Instancing 没啥用
    // 4.SkinnedMeshRenderer（蒙皮网格渲染器）
    //   骨骼动画模型不支持 GPU Instancing
    // 等等

    #endregion

    #region 更多

    // Unity 还提供了相关 API 配合 GPU Instancing 使用
    // 之后的再继续学习

    #endregion
}
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