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Unity3D 基于 GPU 动画和 Compute Shader 的大批量动画渲染详解

news 来源：原创 2025/5/14 11:47:34

引言

在现代游戏开发中，渲染大量动画角色是一个常见的需求，尤其是在大规模战斗场景、开放世界游戏或 VR/AR 应用中。传统的 CPU 动画计算和渲染方式在面对大批量角色时，往往会遇到性能瓶颈。为了优化性能，开发者可以利用 GPU 的强大并行计算能力，通过 Compute Shader 实现动画计算，并将结果直接用于渲染。本文将详细介绍如何在 Unity3D 中基于 GPU 动画和 Compute Shader 实现大批量动画渲染，并提供技术详解和代码实现。

对惹，这里有一个游戏开发交流小组，希望大家可以点击进来一起交流一下开发经验呀！

技术背景

1. CPU 动画的瓶颈

在传统的动画系统中，动画的计算（如骨骼变换、蒙皮计算）通常在 CPU 上进行。当角色数量增加时，CPU 的计算负载会急剧上升，导致帧率下降。此外，CPU 和 GPU 之间的数据传输也会成为性能瓶颈。

2. GPU 动画的优势

GPU 具有强大的并行计算能力，适合处理大批量的数据。通过将动画计算转移到 GPU，可以显著减少 CPU 的负载，并充分利用 GPU 的计算资源。Compute Shader 是 Unity 中用于在 GPU 上执行通用计算任务的工具，非常适合用于动画计算。

3. Compute Shader 简介

Compute Shader 是一种运行在 GPU 上的程序，可以并行处理大量数据。它可以直接操作 GPU 的缓冲区（如 StructuredBuffer 或 RWStructuredBuffer），并将计算结果传递给渲染管线。

实现步骤

1. 动画数据的准备

首先，需要将动画数据（如骨骼矩阵、顶点权重等）上传到 GPU。通常，这些数据可以通过 Unity 的 SkinnedMeshRenderer 获取。

1.1 骨骼矩阵

骨骼矩阵是动画计算的核心数据。每个骨骼的变换矩阵需要上传到 GPU。

Matrix4x4[] boneMatrices = skinnedMeshRenderer.bones.Select(b => b.localToWorldMatrix).ToArray();

1.2 顶点权重和索引

每个顶点的骨骼权重和索引也需要上传到 GPU。

Vector4[] boneWeights = mesh.boneWeights.Select(bw => new Vector4(bw.weight0, bw.weight1, bw.weight2, bw.weight3)).ToArray();
Vector4[] boneIndices = mesh.boneWeights.Select(bw => new Vector4(bw.boneIndex0, bw.boneIndex1, bw.boneIndex2, bw.boneIndex3)).ToArray();

2. Compute Shader 实现动画计算

在 Compute Shader 中，我们可以并行计算每个顶点的最终位置。

2.1 Compute Shader 代码

以下是一个简单的 Compute Shader 示例，用于计算顶点位置。

#pragma kernel Skinning

StructuredBuffer<float4x4> BoneMatrices;
StructuredBuffer<float4> BoneWeights;
StructuredBuffer<float4> BoneIndices;
RWStructuredBuffer<float3> OutputVertices;

[numthreads(64, 1, 1)]
void Skinning(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
    float4 weights = BoneWeights[id.x];
    float4 indices = BoneIndices[id.x];

    float3 vertex = float3(0, 0, 0);

    // 计算加权顶点位置
    vertex += mul(BoneMatrices[indices.x], float4(vertex, 1)).xyz * weights.x;
    vertex += mul(BoneMatrices[indices.y], float4(vertex, 1)).xyz * weights.y;
    vertex += mul(BoneMatrices[indices.z], float4(vertex, 1)).xyz * weights.z;
    vertex += mul(BoneMatrices[indices.w], float4(vertex, 1)).xyz * weights.w;

    OutputVertices[id.x] = vertex;
}

2.2 C# 脚本调用 Compute Shader

在 C# 脚本中，我们需要设置 Compute Shader 的参数并调度计算。

public ComputeShader skinningShader;
public SkinnedMeshRenderer skinnedMeshRenderer;

void Start()
{
    Mesh mesh = skinnedMeshRenderer.sharedMesh;
    int vertexCount = mesh.vertexCount;

    // 创建 GPU 缓冲区
    ComputeBuffer boneMatricesBuffer = new ComputeBuffer(boneMatrices.Length, sizeof(float) * 16);
    ComputeBuffer boneWeightsBuffer = new ComputeBuffer(boneWeights.Length, sizeof(float) * 4);
    ComputeBuffer boneIndicesBuffer = new ComputeBuffer(boneIndices.Length, sizeof(float) * 4);
    ComputeBuffer outputVerticesBuffer = new ComputeBuffer(vertexCount, sizeof(float) * 3);

    // 设置 Compute Shader 参数
    skinningShader.SetBuffer(0, "BoneMatrices", boneMatricesBuffer);
    skinningShader.SetBuffer(0, "BoneWeights", boneWeightsBuffer);
    skinningShader.SetBuffer(0, "BoneIndices", boneIndicesBuffer);
    skinningShader.SetBuffer(0, "OutputVertices", outputVerticesBuffer);

    // 调度 Compute Shader
    int threadGroups = Mathf.CeilToInt(vertexCount / 64.0f);
    skinningShader.Dispatch(0, threadGroups, 1, 1);

    // 读取结果（可选）
    Vector3[] outputVertices = new Vector3[vertexCount];
    outputVerticesBuffer.GetData(outputVertices);

    // 释放缓冲区
    boneMatricesBuffer.Release();
    boneWeightsBuffer.Release();
    boneIndicesBuffer.Release();
    outputVerticesBuffer.Release();
}

3. 渲染 GPU 计算的顶点

计算完成后，可以将结果传递给渲染管线。通常，我们可以使用 Graphics.DrawMeshInstancedIndirect 或 Graphics.DrawProcedural 来渲染大批量角色。

3.1 使用 Graphics.DrawProcedural

Material material; // 使用的材质
ComputeBuffer outputVerticesBuffer; // 计算后的顶点缓冲区

void Render()
{
    material.SetBuffer("_Vertices", outputVerticesBuffer);
    Graphics.DrawProcedural(material, bounds, MeshTopology.Triangles, vertexCount, instanceCount);
}