【Unity】GPU骨骼动画 渲染性能开挂 动画合批渲染 支持武器挂载

GPU骨骼动画视频介绍：

GPU顶点动画和GPU骨骼动画实现原理及优缺点对比 性能优化

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；

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 

生成的骨骼动画贴图

 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。