[Unity] GPUスケルトンアニメーションレンダリングパフォーマンス、チートアニメーションバッチレンダリング、武器マウントサポート

GPU スケルトンアニメーションのビデオ紹介:

GPU頂点アニメーションとGPUスケルタルアニメーションの実装原理、長所と短所の比較、パフォーマンスの最適化

数千人で同じ画面を実現するにはGPUアニメーションが必須です GPU頂点アニメーションの実装方法は以前の記事で紹介しています: 【Unity】レンダリングパフォーマンス攻略 GPUアニメーション、アニメーションレンダリングバッチ GPU Instance_skinmeshrenderバッチ - CSDN Blog

GPU 頂点アニメーションの長所と短所:

GPU 頂点アニメーションは、アニメーションの各フレームのメッシュの頂点/法線をテクスチャに保存し、シェーダーで頂点/法線を直接読み込んで使用します。

メリット：余分な計算がないのでパフォーマンスが高い。

欠点: モデルに複数の SkinnedMeshRenderer がある場合、最初にメッシュをマージする必要があります。生成されるアニメーション/法線マップは大きくなります。搭載された武器の切り替えはサポートされていません。

GPU スケルタルアニメーションの長所と短所:

GPU スケルタルアニメーションは、アニメーションの各フレーム内のすべてのボーンのマトリックス情報をテクスチャに保存します。各頂点は最大 4 つのボーンの影響を受けます。シェーダーでは、これら 4 つのボーンのマトリックスと、4 つのボーンに対応するスキンウェイトが使用されます。位置と法線を変換して、ボーンの影響を受ける頂点/法線の値を取得します。

利点: アニメーション化されたテクスチャは非常に小さい; メッシュをマージする必要がない; 搭載武器の切り替えをサポート; 特定のアタッチメントポイントの位置をリアルタイムで取得できる

短所: ある程度の計算が必要なため、頂点アニメーションよりもパフォーマンスが若干低くなります。

GPU スケルトンアニメーションの実装:

1. スケルトンデータを読み込み、アニメーションマップ、メッシュを生成

1. スキンアニメーションのボーン情報を取得します。

ルートボーンは、SkinnedMeshRenderer の rootBone を通じて、または SkinnedMeshRenderer に関連付けられたすべてのボーンの Transform 配列であるボーンフィールドを直接使用して見つけることができます。

2. アニメーションカーブから各アニメーションフレームに記録されたボーンのトランスフォーム値を取得します。

例として、アニメーションの各フレームのボーン位置を取得します。

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. ボーンマトリックスをアニメーションマップに書き込みます。

ボーンの数をオフセットとして、行列の最初の 3 行の値をアニメーションマップにそれぞれ書き込みます。

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. 各アニメーションの開始フレーム/終了フレーム、アニメーションの長さ、およびアニメーションがループで再生されるかどうかに関する情報を、アニメーションマップのピクセルの最後の列に書き込みます。

5. メッシュグリッドを生成します。

ボーン情報のアニメーションマップでは、シェーダーで対応するボーン情報を取得して頂点と法線を変換できるように、どのボーンが各頂点の影響を受けるかを知る必要もあります。

リソースを節約し、読み取りを容易にするために、頂点に関連付けられた 4 つのボーンと各ボーンのウェイトをメッシュの UV2 チャネルと UV3 チャネルにそれぞれ直接接続できます。

2. GPU スケルトンアニメーションシェーダーの実装:

1. アニメーションマップから現在のアニメーションの開始/終了フレームを解析し、ループされているかどうかに基づいて現在のアニメーションフレームを計算します。

2. 現在のフレームをアニメーションマップサンプリングの V 座標として使用し、すべてのボーンマトリックスの各行の値をサンプリングして取得し、ボーンマトリックスを構築して頂点/法線を計算します。

3. カスタム関数を通じて変換された頂点座標と法線を取得し、GPU スケルタルアニメーションシェーダーに適用します。

これで GPU スケルタルアニメーション機能が完成しました。アニメーションを切り替えるときに、アニメーション Index と現在時刻 Time.time を渡すと、アニメーションクリップは自動的に開始フレームから再生を開始し、アニメーションがループするかどうかを完全にサポートします。ボーンにマウントされた武器の場合、MeshRenderer と SkinnedMeshRenderer の両方が完全にサポートされます。これは、マウントされた武器のノード Transform 自体もボーンとしてアニメーションマップに書き込まれ、Shader がボーンの Local2WorldMatrix を通じて頂点を自動的に変換するためです。武器は自然に骨と一緒に動きます。

3. 吊り下げ点の位置を取得する

たとえば、GPU アニメーションキャラクターは手に銃を持っています。弾丸を発射するとき、銃口に弾丸を作成して発射する必要があります。GPU アニメーションにはボーントランスフォームがなくなったため、その位置を取得する方法銃口は？

GPU アニメーションは純粋な Shader 実装であるため、アニメーションの切り替えにはマテリアルの ClipId プロパティを変更するだけで済みます。ここで、x はアニメーションインデックス、y はアニメーション再生の開始時間 (Time.time) です。

アニメーションインデックスと再生開始時刻を使用すると、現在のアニメーションの再生時間を取得できます。再生時間に基づいて、アニメーションがどのフレームで再生されたかを計算できます。どのフレームを通じて、任意のアニメーションのマトリックスを読み取ることができます。アニメーションマップからボーンを取得するため、いつでもマウントポイントの位置、回転、スケーリングを高パフォーマンスで取得できます。