Unity原生渲染方案

Unity原生渲染方案

作者：3dimensions

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　　做这个的动机是想在原生代码中使用Unity的材质系统绘制，同时由原生代码提供绘制数据，省掉Unity内部的分配内存及数据转换，以及动态模型数据“非托管内存→ 托管内存→ 非托管内存”的传输过程。适用于有大量动态模型数据生成的情况，测试结果在PC和移动平台上均有数倍的性能提升。注意，如果不使用Unity的材质系统，并不需要按这个方案做。方案是我在Miloyip的建议下完成的。

一、目标

　　在Unity中，动态生成三维模型需要把数据填入Mesh对象中，当中Unity内部需要分配内存及做数据转换，效率不佳。而且如果要编写Unity原生插件去生成三维模型，模型数据需要 经“非托管内存→ 托管内存→ 非托管内存”的传输过程，浪费很多内存频宽及时间，特别是每 帧都需要更新的串流数据。所以，我们希望能绕过这数据传输过程，直接进行原生渲染。本文总结的原生渲染方案，目标是令原生插件继续使用Unity的材质系统，然后在插件内生成顶点数据并提交Draw-call。

二、方案

　　大致的想法是希望让Unity设置好OpenGL绘制状态后，在原生插件中获取这些状态并 加以利用。此方案暂不考虑多线程渲染及多步骤材质（Multi-pass material），并针对Open GL （Windows）及OpenGL ES（iOS和Android）进行测试。

2.1 进入原生渲染的时机──选项A：GL.IssuePluginEvent

　　首先我们考虑使用Unity的GL.IssuePluginEvent，但这个方法还存在问题，在PC上测试 的结果显示，通过GL.IssuePluginEvent进入原生渲染后，一些绘制资源（如纹理）已经被解 绑，Unity中设置好的绘制状态被破坏了。所以此方案不可行。

2.2 进入原生渲染的时机──选项B：直接调用原生API

　　另一个方法是在Unity脚本中先设置好材质，然后直接调用原生插件。首先，在Unity中调 用Material.SetPass()设置材质，但这个命令并不一定会被Unity立即执行，此时若直接进入 原生渲染，可能会发现绘制状态不正确。我们找到一个可行的方法是，在调用SetPass()后紧 随执行DrawMeshNow()去绘制一个小网格，此时整个OpenGL的绘制状态已经被正确设置，然 后才调用原生插件，在原生渲染器中查询到的绘制状态，便是相应材质对应的正确绘制状态。

2.3 如何在Native plugin中利用Unity的绘制状态

　　如何利用Unity设置好的绘制状态，对于PC和Android有一些区别：

1. 在PC上，Unity进入原生渲染之后，查询到的当前着色器名字为0，但这并不意味着绘制 状态被破坏,仍然可以绘制出正确的结果。我们怀疑DrawMeshNow()选择了设置材质到固 定管线，在PC原生渲染中只能利用这一固定管线。OpenGL固定管线的顶点属性是有语 义的，在原生渲染中调用gl*Pointer接口提供顶点数据就可以提交draw-call。
2. 在Android上，OpenGL ES 2.0以上版本只能使用可编程管线，且移除了顶点属性的语义， 所有顶点属性变成了Generic。为了给当前绘制状态提供顶点数据，需要在原生渲染器中 查询当前着色器名称，并解析着色器的接口信息。Unity对顶点属性有比较固定的命名格 式，可以根据这些属性字符串从当前着色器中查询到Location信息。在原生渲染器中调 用glVertexAttribPointer提供顶点数据到相应Location，然后再提交Draw-call。

2.4 参与Unity的视锥裁剪

　　为了使原生渲染器正确的参与视锥裁剪，我们需要在原生渲染器的GameObject设置和原生 几何体相同的包围盒。 具体方法为如下。首先，在挂载原生渲染器的GameObject上关联Renderer及MeshFilter。 然后，在MonoBehaviour.Update()时，从原生渲染器中读取原生几何体的包围盒，再把一个 拥有相同包围盒的Mesh设置到这个GameObject的MeshRenderer，然后Mesh重新计算包围盒引 发MeshRenderer重新计算包围盒。最后，在OnWillRenderObject()时，记录GameObject是否 通过了视锥裁剪。而在OnRenderObject()时，根据是否通过了裁剪来决定是否调用原生渲染 器.

2.5 多个摄像机及多个原生调用

　　我们测试了多个摄像机的情况，以及在Material.SetPass()后紧随多次原生调用的情况， 原生渲染器均能正确绘制。

2.6 绘制次序

　　原生渲染器的绘制次序通过Unity的层（Layer）控制，原生渲染器对应不同于场景其他物 体的Layer，原生渲染器的层对应独立的摄像机。摄像机之间依据其Depth属性决定绘制顺序。

三、原生渲染器的性能

　　测试了一个4W粒子的原生粒子系统，材质为Unity内置的“Particles/Alpha Blended”。测试结果：

四、其他事项

4.1 注意事项

　　在PC上运行Unity时要给予命令行参数-force-opengl, 强制在PC上选择OpenGL作为绘 制API。内置材质“Particles/Multipy”在PC上效果不正确，原因未明。 OpenGL状态是全局的，在原生渲染器中对OpenGL状态的改变，除原生渲染器申请的自 有资源不需要释放，其他改变如bind/unbind必须在返回Unity时还原回进入原生渲染器时的初 始状态，否则可能导致崩溃。 测试过程中遇到一些问题，如Nexus 10（Mali T604）的驱动在执行Draw-call后会造成内 存泄漏，运行一段时间后驱动便会占用超过1GB内存，令malloc分配新空间时出现内存不足。 在别的机型上没有遇到这种情况，应属于驱动问题。

4.2 未考虑的事宜

1. 本文总结的方案未考虑多步骤材质（Multi-pass material），多步骤的材质情况比较复杂， 暂时未考虑它们参与原生渲染器的方法。
2. 本文方案未将遮挡剔除考虑在内。
3. 开启多线程渲染后，本文方法可能不能得到正确效果。
4. Unity调用DrawMeshNow()绘制的网络需要被隐藏起来。

4.3 Buffer Object

　　把数据上传到GPU有一些需要注意的地方，如果上传新数据时Buffer object仍然被绘制 占用，可能会引发隐式同步（Implicit synchronization），等待绘制完成。通过使用多个Buffer object，在帧之间循环使用不同Buffer object可以降低这方面的开销。在GPU负载较大时会有一些性能提升，缺点是可能会增加了驱动的内存占用。