GPU Skinned Fur Instance in Unity

TheLudGamer · 发表于 2021-12-20 13:09

前言：

众所周知，目前对于毛发的模拟，最常见的就是Shell Based Fur，简单来说就是顶点沿法线方向外扩，形成堆叠的外壳，然后通过一张Noise作为毛发Pattern，镂空（Clip或Blend）形成毛发形状。基本原理和shading方法互联网上面有许多的介绍了，不在此赘述。本文的重点是介绍一个GPU Instance的支持Skinned Mesh的Unity实现方案。
局限：

Shell Based最显著的问题是面数成整数倍膨胀，在桌面端，通常一个比较不错的动物毛皮效果都采用Alpha Clip方式，为了避免断层至少需要100层。在移动端的话这完全是不现实的，实际情况中采用8-16层是较为合理的，但是会出现断层，因此只能采用Alpha Blend方式，同时这也避免了打断Early Z优化。
另一个问题是，如何去绘制Shell。桌面端的方法是预先生成，厚度、生长方向，都可控，把这些信息和层数一起写进VertexColor或者UV，一个Pass绘制，反正性能够容量大。而移动端的思路是多Pass，预先生成对于美术来说总是多一个步骤，即便是可以通过工具自动化，但是生长方向这些额外信息刷起来也麻烦，本来层数就不够多，实际效果中体现并不明显，文件体积也是成倍增长，因此完全没必要的。而且URP又默认不支持多Pass，要不用多个材质球实现多Pass，要不就用RenderFeature扩展管线，总之都是挺麻烦的。
方案：

面数高，Pass多，而且又是重复绘制的，这里明显就可以使用GPU Instance来进行优化。获取毛皮模型的Mesh，将层数写入Material Block，使用DrawMeshInstanced绘制。但是，Unity中skinned mesh renderer并不支持GPU Instance，虽然有些方案可以绕过限制，例如BakeMesh或者Animation Instacing，但是都有各自存在的问题。
Unity在2021.2.0中新增了SkinnedMeshRenderer.GetVertexBuffer，完美解决了多年以来的SkinnedMesh的Instance问题。因此，这个流程就是获取VertexBuffer并设置到Material中，使用DrawProcedual绘制，而SV_InstanceID则代表了当前的层数。
实现：

本方案使用Unity 2021.2.6f1。
首先，使用GetVertexBuffer()，获取蒙皮后的顶点Buffer，注意在这里获取的仅仅是位置、法线、切线属性，至于UV、Index需要从mesh中获取。

For a mesh to be compatible with a SkinnedMeshRenderer, it must have multiple vertex streams: one for deformed data (positions, normals, tangents), one for static data (colors and texture coordinates), and one for skinning data (blend weights and blend indices).

将Buffer设置到material中。

然后，进行绘制，为了方便控制，我将层数写入了Material，这里需要读出来作为Instance的数量。

最后是Shader部分，因为使用的是Procedural绘制，我们只能用SV_VertexID和SV_InstanceID读取Buffer中的顶点。注意这里的Buffer只能是ByteAddressBuffer，因此需要手动去解析。

DirectX 11 does not allow Index or ::Vertex buffers to also be Structured. For compute shader mesh data access with DirectX 11 compatibility, use Raw.

注意：因为用的是Procedural绘制，并不需要开启#pragma multi_compile_instancing。因此UNITY_ANY_INSTANCING_ENABLED是未定义的，无需使用UnityInstancing中的宏。
效果：

https://www.zhihu.com/video/1454854785274540032
最终通过一个Pass即可实现任意层数的Shell Fur Shading。不需要预先生成网格，可以动态调整层数，支持Skinned Mesh GPU Instance，这些都只需要一个DrawCall。
扩展：

因为获取的是蒙皮后的vertex buffer，除了用于做Animation Instance，还可以混合蒙皮动画。
2021.2.0不仅提供了蒙皮后的顶点缓存，还提供了前一帧的缓存。

基于此可以在CS中模拟出毛皮的物理效果，通过DrawProceduralIndirect，还可以根据距离设置层数，实现自动LOD。
引用：

Bump Noise Cloud - 3D噪点+GPU instancing制作基于模型的体积云
Render- Animation Instancing
Unity 2021.2.0 - Unity
MinimalCompute/SkinnedMeshBuffer.shader at master · cinight/MinimalCompute

johnsoncodehk · 发表于 2021-12-20 13:17

虽然看不懂但我大受震撼大佬好厉害[赞同]

闲鱼技术01 · 发表于 2021-12-20 13:25

感谢

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