240711 Jobs+Burst在风场粒子特效中的实践
准备一个简单的风场粒子材质
编写hlsl
新建WindFunc.hlsl脚本。由于Unity中并没有新建hlsl脚本选项，可以随意新建一个Shader脚本，改名为WindFunc.hlsl，然后将其中内容替换为：
#if defined(UNITY_PROCEDURAL_INSTANCING_ENABLED)
StructuredBuffer<float4x4> _Matrices;
#endif
void ConfigureProcedual()
{
#if defined(UNITY_PROCEDURAL_INSTANCING_ENABLED)
unity_ObjectToWorld=_Matrices[unity_InstanceID];
#endif
}
void WindFunc_float(float3 In, out float3 Out)
{
Out = In;
}
void WindFunc_half(half3 In, out half3 Out)
{
Out = In;
}
使用ShaderGraph
在Project中新建Shader Graph/URP/Unlit Shader Graph，命名为WindGraph。
在WindGraph面板中单击右键Create Node/Input/Geometry/Position，创建一个Position结点，将Space由World改为Object。
在WindGraph面板中单击右键Create Node/Utility/Custom Function，创建一个Custom Function结点，选中它，在Graph Inspector面板中将Source替换为WindFunc，在Name栏中填写WindFunc，然后分别点击Inputs、Outputs下方的“+”，在下拉框中找到Vector3。
点击WindGraph面板的“+”，选择Float，命名为Smoothness，选中它，在Graph Inspector面板中将Mode由Default改为Slider，然后再次点击WindGraph面板的“+”，选择Color，命名为Base Color，选中它，在Graph Inspector面板中将Mode由Default改为HDR。
右键单击Fragment，Add Block Node/Smoothness，按下图方式连接，点击左上角的Save Asset。
创建材质
在Project中新建Material，命名为WindParticleMat，选中它，在Inspector面板中将Shader更改为Shader Graphs/WindGraph，将Surface Inputs中的属性更改为你喜欢的样子，勾选Enable GPU Instancing，我们的材质就准备好了！
制作一个简单的风场粒子特效
编写C#脚本
新建WindParticle.cs脚本，删除其中的Start与Update方法。
在编辑器中，我们想要设置粒子的生成时间间隔、运动速度以及形状，指定粒子的网格和材质，故定义：
[SerializeField] private float interval = .2f;
[SerializeField] private float velocity = 1f;
[SerializeField] private Vector2 shape = new Vector2(2, .1f);
[SerializeField] private Mesh mesh;
[SerializeField] private Material mat;
对于一个粒子，我们需要知道它的生命周期与运动方向，故定义：
private float lifespan;
private Vector2 orient;
同时定义OnEnable方法，在其中初始化：
private void OnEnable(){
lifespan = transform.localScale.x / velocity;
orient = new Vector2(
Mathf.Cos(transform.rotation.eulerAngles.z * Mathf.Deg2Rad),
Mathf.Sin(transform.rotation.eulerAngles.z * Mathf.Deg2Rad)).normalized;
}
对于风场中的所有粒子，我们需要知道它们的位置、形状和数量，想要绘制这些粒子，我们又需要包含它们位置、旋转和形状信息的矩阵，故定义：
private int cnt;
private Vector3[] pos;
private Vector3[] scales;
private Matrix4x4[] matrices;
并在OnEnable方法中初始化：
cnt = Mathf.CeilToInt(lifespan / interval);
pos = new Vector3[cnt];
scales = new Vector3[cnt];
matrices = new Matrix4x4[cnt];
for (int i = 0; i < cnt; i++) scales[i] = Vector3.zero;
在粒子的初始化阶段，我们需要得知每一个粒子的初始化时机，还有当前正在初始化的粒子序号，粒子的初始化需要一个包含风场的位置、旋转和形状信息的矩阵，故定义：
private int idx;
private float timer;
private Matrix4x4 windMatrix;
并在OnEnable方法中初始化：
idx = 0;
timer = 0;
windMatrix = Matrix4x4.TRS
(transform.position, transform.rotation, transform.localScale);
然后定义InitParticle方法，用于初始化单个粒子：
private void InitParticle()
{
pos[idx] = windMatrix.MultiplyPoint(Vector3.left / 2 +
Vector3.Lerp(Vector3.up, Vector3.down, UnityEngine.Random.Range(.25f, .75f)));
scales[idx] = shape * UnityEngine.Random.Range(.25f, 1);
}
再定义OnFixedUpdate方法，在其中定时调用InitParticle方法：
private void FixedUpdate()
{
timer += Time.fixedDeltaTime;
if (timer > interval)
{
timer = 0;
InitParticle();
idx = (cnt + idx + 1) % cnt;
}
}
接下来需要定义Update方法，实时计算粒子的位置，绘制在屏幕上：
private void Update()
{
for (int i = 0; i < cnt; ++i)
{
pos[i] += Time.deltaTime * velocity * (Vector3)orient;
matrices[i] = Matrix4x4.TRS(pos[i], transform.rotation, scales[i]);
Graphics.DrawMesh(mesh, matrices[i], mat, 0);
}
}
创建预制体
保存脚本，新建Prefab，命名为WindParticle，将这个脚本添加上去，指定Mesh为Sphere，Mat为WindParticleMat，设置至少看起来合理的数值，再添加BoxCollider2D组件（留作实现风场用，也能省去Gizmos标识范围的功夫），勾选IsTrigger，一个简单的风场粒子特效就制作好了！
预览
请我的策划朋友搭了个关卡，效果如下：
“能跑，”我的策划朋友说，“就是有点卡。”这究竟是怎么回事呢？
性能
进入Play Mode，在Game视窗中点击右上角的Stats，可以看到当前的帧率等信息：
可以看到，帧率竟然在24上下浮动，对于一部游戏来说十分甚至九分的糟糕。看来我的策划朋友讲话还是客气了点。如果我们并不刻意追求“电影感”，就得着手优化了。
优化这个简单的风场粒子特效
减少Draw Call
注意到这么几个粒子处理批次（Batches）竟高达161，我们首先应当减少绘制指令。
我们需要一个ComputeBuffer与材质中的StructuredBuffer对应，并且需要找到这个StructuredBuffer，故定义：
private ComputeBuffer buffer;
private static readonly int matricesID = Shader.PropertyToID("_Matrices");
由于我们需要cnt个缓冲区，每个缓冲区都是一个float4x4的大小，所以在OnEnable方法中初始化：
buffer = new ComputeBuffer(cnt, 64);
buffer应当及时清理，所以定义OnDisable方法并释放空间：
private void OnDisable()
{
buffer?.Release();
buffer = null;
}
在Update方法中找到：
Graphics.DrawMesh(mesh, matrices[i], mat, 0);
将其删除，在for循环外添加以下语句：
buffer.SetData(matrices);
mat.SetBuffer(matricesID, buffer);
Graphics.DrawMeshInstanced(mesh, mesh.subMeshCount - 1, mat, matrices);
保存脚本，让我们看看接下来会发生什么：
Batches瞬间下降至14，而帧率跃升到136左右！
使用Jobs替代for循环
Jobs不支持简单的数组，取而代之的是NativeArray，我们需要将for循环中用到的数组全部替换成NativeArray：
//private Vector3[] pos;
//private Vector3[] scales;
//private Matrix4x4[] matrices;
private NativeArray<Vector3> pos;
private NativeArray<Vector3> scales;
private NativeArray<Matrix4x4> matrices;
修改OnEnable中的初始化：
//pos = new Vector3[cnt];
//scales = new Vector3[cnt];
//matrices = new Matrix4x4[cnt];
pos = new NativeArray<Vector3>(cnt, Allocator.Persistent);
scales = new NativeArray<Vector3>(cnt, Allocator.Persistent);
matrices = new NativeArray<Matrix4x4>(cnt, Allocator.Persistent);
NativeArray需要及时释放空间，故应在OnDisable中添加：
pos.Dispose();
scales.Dispose();
matrices.Dispose();
在Update中修改Graphics.DrawMeshInstanced方法中的参数：
//Graphics.DrawMeshInstanced(mesh, mesh.subMeshCount - 1, mat, matrices);
Graphics.DrawMeshInstanced(mesh, mesh.subMeshCount - 1, mat, matrices.ToArray());
定义继承自IJobFor的结构体：
- 将Update中计算每个粒子位置的for循环改写为Execute方法。
- 定义Execute方法中需要用到的参数。
- 使用ReadOnly、WriteOnly特性优化结构体中NativeArray读写速度。
public struct Move : IJobFor
{
public Vector2 orient;
public float velocity;
public float deltaTime;
public Quaternion rotation;
public NativeArray<Vector3> pos;
[ReadOnly]
public NativeArray<Vector3> scales;
[WriteOnly]
public NativeArray<Matrix4x4> matrices;
public void Execute(int i)
{
pos[i] += deltaTime * velocity * (Vector3)orient;
matrices[i] = Matrix4x4.TRS(pos[i], rotation, scales[i]);
}
}
在Update中使用Jobs替换for循环：
//for (int i = 0; i < cnt; ++i)
//{
// pos[i] += Time.deltaTime * velocity * (Vector3)orient;
// matrices[i] = Matrix4x4.TRS(pos[i], transform.rotation, scales[i]);
//}
new Move()
{
orient = orient,
velocity = velocity,
deltaTime = Time.deltaTime,
rotation = transform.rotation,
pos = pos,
scales = scales,
matrices = matrices,
}.Schedule(cnt, default).Complete();
此时的帧率达到了155左右！
使用Burst编译
在Move的定义前添加：
[BurstCompile(CompileSynchronously = true)]
此时的帧率达到了160以上！
参考