[游戏开发]URP下SRPBatcher，GPUInstancing，动态合批，静态合批

SRPBatcher：

适用前提：

????????需要是同一个shader，可以是不同的材质球，Shader代码必须兼容SRP Batcher。

????????但是不支持用材质球属性块（MaterialPropertyBlock）

? ? ? ??渲染的物体必须是一个mesh或者skinned?mesh。不能是粒子。

效果：

? ? ? ? 可以有效降低SetPassCall的数目，用于CPU性能优化

优化原理：

????????1.在过去的渲染架构中，Unity采取对一个材质分配一个CBuffer（or 一个Pass，这不是重点），这个CBuffer 包括shader里的显性的参数（你自己定义的uniform参数）和隐性的参数（unity固定的uniform modelMatrix，modelviewMatrix之类。），所以每一次drawcall，要更新这个CBuffer

????????2.在SRP渲染架构中，Unity采取的策略是对一个材质分配一个半CBuffer，为什么是一个半呢？首先shader的显性参数分配到一个CBuffer里，shader的隐性参数则是N个物体共享一个CBuffer。比如一个shader 对应 10个物体，在SRP渲染架构中，一共分配了11个CBuffer，其中10个分别存这10个物体材质中定义的显性参数。然后分配一个大的共享CBuffer，把这10个物体的modelMatrix这类隐性参数都放在一起。

????????乍一看这不是负优化吗？老架构更新10个CBuffer，你现在更新11个。

????????这个策略叫做动静分离，材质的显性参数大部分都是低频更新的（你总不能一个游戏所有的材质参数每桢都改变吧），所以在理想情况下，这10个放显性参数的CBuffer就基本不修改。而modelMatrix之类的隐性参数是高频更新的，很多模型会动来动去。他们被批量放在一个CBuffer里，一次更新可以更新一片。

如下图：大型的共享CBuffer和每个材质自己的CBuffer都有各自专门的代码进行更新，大部分情况只需要更新大型共享CBuffer，从而降低了一帧内SetPassCall的数目

?标准流程和SRPBatcher流程的区别：

?以上，据Unity官方宣传 SRP Batcher 可以取得 1.2～4 倍的 CPU渲染时间提升（仅提升CPU部分，不是渲染耗时提升这么多，还得看cpu瓶颈占多大比重）

如何让Shader支持SRPBatcher：

1、必须声明所有内建引擎properties?在一个名为"UnityPerDraw"的CBUFFER里。

// 如果需要支持SRP合批，内置引擎属性必须在“UnityPerDraw”的 CBUFFER 中声明
CBUFFER_START(UnityPerDraw)
float4x4 unity_ObjectToWorld;			// 模型空间->世界空间，转换矩阵(uniform 值。它由GPU每次绘制时设置，对于该绘制期间所有顶点和片段函数的调用都将保持不变)
float4x4 unity_WorldToObject;			// 世界空间->模型空间
float4 unity_LODFade;
real4 unity_WorldTransformParams;		// 包含一些我们不再需要的转换信息，real4向量，它本身不是有效的类型，而是取决于目标平台的float4或half4的别名。（需要引入unityURP库里的"Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Common.hlsl"才能使用real4）
CBUFFER_END

（URP内置的UnityInput.hlsl里自带更全面的代码。也就是说，如果你的代码有引用或间接引用UnityInput.hlsl，那就不用做这一步了。）

2、必须声明所有材质properties在一个名为"UnityPerMaterial"的CBUFFER里。

// 使用核心RP库中的CBUFFER_START宏定义，因为有些平台是不支持常量缓冲区的。这里不能直接用cbuffer UnityPerMaterial{ float4 _BaseColor };
// Properties大括号里声明的所有变量如果需要支持合批，都需要在UnityPerMaterial的CBUFFER中声明所有材质属性
// 在GPU给变量设置了缓冲区，则不需要每一帧从CPU传递数据到GPU，仅仅在变动时候才需要传递，能够有效降低set pass call
CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
float4 _BaseColor;															// 将_BaseColor放入特定的常量内存缓冲区
CBUFFER_END

若需要配合GPUInstancing则需要改写为

UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(UnityPerMaterial)
	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _BaseColor)								// 把所有实例的_BaseColor以数组的形式声明并放入内存缓冲区
UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(UnityPerMaterial)

GPUInstancing:

适用前提：

• 兼容的平台及API

• 相同的Mesh与Material，并且这个Material的shader只能有一个pass。, 支持不同的材质球属性块（MaterialPropertyBlock）

• 不支持SkinnedMeshRenderer

• Shader支持GPU Instancing

• 缩放为负值的情况下，会不参与加速。
• 受限于常量缓冲区在不同设备上的大小的上限，移动端支持的个数可能较低。
• 只支持一盏实时光，要在多个光源的情况下使用实例化，我们别无选择，只能切换到延迟渲染路径。为了能够让这套机制运作起来，请将所需的编译器指令添加到我们着色器的延迟渲染通道中。

效果：

• 批渲染Mesh相同的那些物体，以降低DrawCall数
• 这些物体可以有不同的参数，比如颜色与缩放

原理：

Unity会在运行时对于正在视野中的符合要求的所有对象，将其位置、缩放、uv偏移、lightmapindex等相关信息放到CBuffer（Constant Buffer）中，然后统一保存在显存中的“统一/常量缓冲器”中，当一个对象作为实例送入渲染流程时，在执行DrawCall操作后，根据传入的InstanceID从显存中取出当前实例对应的部分共享信息与从GPU常量缓冲器中取出对应对象的相关信息一并传递到下一渲染阶段，与此同时，不同的着色器阶段都可以从缓存区中直接获取到需要的常量，不用设置两次常量。总的来说就是一次性存入所有对象的公共信息到CBuffer，后续根据id来取，不用每次都发数据到GPU。

流程图：

如何使用GUPInstancing：

Shader "Custom RP/Unlit"
{
	Properties{
		_BaseColor("Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
	}
	SubShader {
		Pass {
			HLSLPROGRAM

			// 让shader支持GUIInstancing 
			// 一次对具有相同网格物体的多个对象发出一次绘图调用。
			// CPU收集所有每个对象的变换和材质属性，并将它们放入数组中，然后发送给GPU(SetPassCall)。
			// 最后，GPU遍历所有条目，并按提供顺序对其进行渲染。
			#pragma multi_compile_instancing

			#pragma vertex UnlitPassVertex
			#pragma fragment UnlitPassFragment
			#include "UnlitPass.hlsl"					// 里面定义了顶点着色器以及片元着色器
			ENDHLSL
		}
	}
}


// --------------以下是UnlitPass.hlsl里的代码-----------------

// 为了支持GUIInstancing，这里CBUFFER_START改成用UNITY_INSTANCING_BUFFER_START宏
UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(UnityPerMaterial)
	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _BaseColor)								// 把所有实例的_BaseColor放入内存缓冲区
UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(UnityPerMaterial)

// 顶点着色器输入
struct Attributes{
	float3 positionOS : POSITION;
	UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID												// 启用GUIInstancing的时候，用此宏，可以让顶点传入实例化id
};

// 顶点着色器输出
struct Varyings {
	float4 positionCS : SV_POSITION;
	UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID												// 启用GUIInstancing的时候，用此宏，让顶点着色器输出实例化id
};

Varyings UnlitPassVertex(Attributes input){
	Varyings output;
	UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);												// 从input中提取对象索引，并将其存储在其他GUIInstancing相关宏所依赖的全局静态变量中
	UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input, output);									// 把input中的实例化id转换到片元着色器中用的实例化id
	float3 positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS);
	output.positionCS = TransformWorldToHClip(positionWS);
	return output;
}

float4 UnlitPassFragment(Varyings input) : SV_TARGET{
	UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);												// 从input中提取对象索引，并将其存储在其他GUIInstancing相关宏所依赖的全局静态变量中
	return UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial, _BaseColor);			// 根据实例id从_BaseColor数组中取出对应的_BaseColor
}

当需要创建海量mesh的时候，一般不要用实例化游戏物体的方式，这样会比较消耗性能，推荐使用Graphics.DrawMeshInstanced来创建。

例子：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

/// <summary>
/// 动态生成大量球体mesh，用来测试GPUInstancing
/// </summary>
public class MeshBall : MonoBehaviour
{
    static int baseColorId = Shader.PropertyToID("_BaseColor");

    [SerializeField]
    Mesh mesh = default;         // 手动拖入mesh

    [SerializeField]
    Material material = default;  // 手动拖入支持GPUInstancing的材质球

    Matrix4x4[] matrices = new Matrix4x4[1023];
    Vector4[] baseColors = new Vector4[1023];

    MaterialPropertyBlock block;

    private void Awake()
    {
        for (int i = 0; i < matrices.Length; i++)
        {
            matrices[i] = Matrix4x4.TRS(Random.insideUnitSphere * 10f, Quaternion.identity, Vector3.one);
            baseColors[i] = new Vector4(Random.value, Random.value, Random.value, 1f);
        }
    }

    private void Update()
    {
        if(block == null)
        {
            block = new MaterialPropertyBlock();
            block.SetVectorArray(baseColorId, baseColors);
        }
        Graphics.DrawMeshInstanced(mesh, 0, material, matrices, 1023, block);
    }
}

Graphics.DrawMeshInstanced()这方法还有两问题

1.一次最多画1023个元素，如果超出就会报错，所以需要将草进行分类管理。

2.它不提供裁切的功能，也就是说摄像机看不到的地方，这些草是不会被剔除掉的，依然会被渲染。

解决这个问题，为了避免运行时暴力的for循环来判断是否在视野内，我采取的方法是预先将场景分成20X20若干个格子（可根据游戏的可视范围而定）根据玩家的位置，始终只渲染周围9个格子内的草元素，这样将大幅度减少运行时for循环的次数。

如果每个草的顶点色是不一样的怎么办呢？可以用MaterialPropertyBlock来让同一个材质求有不同的属性

未完待续。。。