【分享】自定义渲染合批之自定义顶点格式(附 Demo 和引擎源码解读)

【本文参与征文活动】

背景

自定义渲染可以实现很多酷炫的shader特效,目前常用的有两种方法:

  1. 创建自定义材质,给材质增加参数。这个参数会作为uniform变量传入shader
    由于渲染合批要求材质参数保持一致,所以如果大量对象使用自定义材质时,并且材质参数各不相同,是无法进行合批渲染的,一个对象占一个draw call
  2. 创建自定义assembler,在顶点数据输入渲染管道前修改它的值
    这种方式比较灵活,如果需要输入更多自定义参数,标准的顶点格式就不够用了


本文介绍另一种方法,即能让shader获得自定义参数,又能让自定义材质合批渲染。这种方法就是 自定义顶点格式


Assembler详解

Assembler是实现本文相关功能的核心类,先简单回顾一下官方文档里介绍的内容
https://docs.cocos.com/creator/manual/zh/advanced-topics/custom-render.html#%E8%87%AA%E5%AE%9A%E4%B9%89-assembler

Assembler 中必须要定义 updateRenderData 及 fillBuffers 方法
前者需要更新准备顶点数据,后者则是将准备好的顶点数据填充进 VetexBuffer 和 IndiceBuffer 中


2D渲染中,Assember2D类是一个重要的基础类,最常用的cc.Sprite的各种模式(Simple,平铺,九宫格)在内部都对应了不同的Assembler派生类。同样是一个四边形的节点,不同的Assembler可以将其转化成不同数量的顶点实现不同的渲染效果

  • Simple模式下是常规的四边形,有4个顶点
  • 平铺模式下Assembler根据纹理的重复次数对节点进行“拆碎”,相当于每重复一次就产生1个四边形
  • 九宫格模式下Assembler将节点拆分为9个四边形,每个四边形对应纹理上的一个“格子”

fillBuffers源码解读

先看看Assembler2D是如何实现 fillBuffers
源码位置:https://github.com/cocos-creator/engine/blob/master/cocos2d/core/renderer/assembler-2d.js

    fillBuffers (comp, renderer) {
      	// 如果节点的世界坐标发生变化,重新从当前节点的世界坐标计算一次顶点数据
        if (renderer.worldMatDirty) {
            this.updateWorldVerts(comp);
        }

      	// 获取准备好的顶点数据
      	// vData包含pos、uv、color数据
      	// iData包含三角剖分后的顶点索引数据
        let renderData = this._renderData;
        let vData = renderData.vDatas[0];
        let iData = renderData.iDatas[0];

      	// 获取顶点缓存
      	// getBuffer()方法后面会被我们重载,以便获得支持自定义顶点格式的缓存
        let buffer = this.getBuffer(renderer);
      
      	// 获取当前节点的顶点数据对应最终buffer的偏移量
      	// 可以简单理解为当前节点和其他同格式节点的数据,都将按顺序追加到这个大buffer里
        let offsetInfo = buffer.request(this.verticesCount, this.indicesCount);

        // fill vertices
        let vertexOffset = offsetInfo.byteOffset >> 2,
            vbuf = buffer._vData;

      	// 将准备好的vData拷贝到VetexBuffer里。
        // 这里会判断如果buffer装不下了,vData会被截断一部分。
      	// 通常不会出现装不下这种情况,因为buffer.request中会分配足够大的空间;如果出现,则当前组件只能被渲染一部分
        if (vData.length + vertexOffset > vbuf.length) {
            vbuf.set(vData.subarray(0, vbuf.length - vertexOffset), vertexOffset);
        } else {
            vbuf.set(vData, vertexOffset);
        }

        // 将准备好的iData拷贝到IndiceBuffer里
        let ibuf = buffer._iData,
            indiceOffset = offsetInfo.indiceOffset,
            vertexId = offsetInfo.vertexOffset;
        for (let i = 0, l = iData.length; i < l; i++) {
            ibuf[indiceOffset++] = vertexId + iData[i];
        }
    }

思考

Q: 为什么要需要准备顶点数据,而不是在fillBuffer()方法内直接计算后填入buffer?
A: 因为fillBuffer()每帧都会被调用,是热点代码,需要关注效率。但是顶点数据不是每一帧都会更新,可以预先计算


Q: 实现自定义顶点格式需要修改fillBuffer()方法吗?
A: 不需要,fillBuffer()是简单的字节流拷贝,只关心数据长度,不关心数据内容


Q: 顶点数据包含哪些内容?如何计算?
A: 见下文

顶点数据格式描述

最常用的顶点格式是 vfmtPosUvColor ,也是Assembler2D默认使用的格式。
https://github.com/cocos-creator/engine/blob/master/cocos2d/core/renderer/webgl/vertex-format.js

var vfmtPosUvColor = new gfx.VertexFormat([
    // 节点的世界坐标,占2个float32
    { name: gfx.ATTR_POSITION, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 },
  
    // 节点的纹理uv坐标,占2个float32
    // 如果节点使用了独立的纹理(未合图),这里的uv值通常是0或1
    // 合图后的纹理,这里的uv对应其在图集里的相对位置,取值范围在[0,1)内
    { name: gfx.ATTR_UV0, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 },
  
    // 节点颜色值,cc.Sprite组件上可以设置。占4个uint8 = 1个float32
    { name: gfx.ATTR_COLOR, type: gfx.ATTR_TYPE_UINT8, num: 4, normalize: true },
]);

顶点格式和shader顶点着色器的attribute变量对应关系如下。

CCProgram vs %{
  precision highp float;

  #include <cc-global>
  #include <cc-local>

  // 对应vfmtPosUvColor结构里的3个字段
  // 注意这里a_position是vec3类型,但是vfmtPosUvColor对其自定义了2个float长度。所以a_position.z = 0
  in vec3 a_position;		        // gfx.ATTR_POSITION
  in vec2 a_uv0;			// gfx.ATTR_UV0
  in vec4 a_color;			// gfx.ATTR_COLOR

  // ...

  void main () {
      // ...
  }
}%

官方定义了一些常用的attribute变量名
https://github.com/cocos-creator/engine/blob/master/cocos2d/renderer/gfx/enums.js
用户可以自定义attribute变量名,只需要 顶点格式中的变量名和shader中的匹配上即可。

再来看下Assembler2D里的属性和顶点格式的对应关系
源码位置:https://github.com/cocos-creator/engine/blob/master/cocos2d/core/renderer/assembler-2d.js

cc.js.addon(Assembler2D.prototype, {
    // vfmtPosUvColor 结构占5个float32
    floatsPerVert: 5,

    // 一个四边形4个顶点
    verticesCount: 4,
  
    // 一个四边形按照对角拆分成2个三角形,2*3 = 6个顶点索引
    indicesCount: 6,

    // uv的值在vfmtPosUvColor结构里下标从2开始算
    uvOffset: 2,
  
    // color的值在vfmtPosUvColor结构里下标从4开始算
    colorOffset: 4,
});

顶点数据计算


了解了上面的顶点格式之后,顶点数据无非就是计算 pos、uv、color几个值。
在Assembler里分别有 updateVerts()updateUVs()updateColor() 方法来准备这几个值,并且临时存储在Assembler自己分配的数组里。

顶点数据存在RenderData中,源码位置:https://github.com/cocos-creator/engine/blob/master/cocos2d/core/renderer/assembler-2d.js

export default class Assembler2D extends Assembler {
    constructor () {
        super();

      	// renderData.vDatas用来存储pos、uv、color数据
        // renderData.iDatas用来存储顶点索引数据
        this._renderData = new RenderData();
        this._renderData.init(this);
        
        this.initData();
        this.initLocal();
    }

    get verticesFloats () {
      	// 当前节点的所有顶点数据总大小
        return this.verticesCount * this.floatsPerVert;
    }

    initData () {
        let data = this._renderData;
      	// 创建一个足够长的空间用来存储顶点数据 & 顶点索引数据
      	// 这个方法内部会初始化顶点索引数据
        data.createQuadData(0, this.verticesFloats, this.indicesCount);
    }
    
    // ...
}

updateUVs() 方法解读
源码位置:https://github.com/cocos-creator/engine/blob/master/cocos2d/core/renderer/webgl/assemblers/sprite/2d/simple.js

    updateUVs (sprite) {
      	// 获取当前cc.Sprite组件设置的spriteFrame对应的uv
      	// uv数组长度=8,分别表示4个顶点的uv.x, uv.y
      	// 按照左下、右下、左上、右上的顺序存储,注意这里的顺序和顶点索引的数据需要对应上
        let uv = sprite._spriteFrame.uv;
        let uvOffset = this.uvOffset;		// 之前提到过vfmtPosUvColor结构里uvOffset = 2
        let floatsPerVert = this.floatsPerVert; // floatsPerVert = vfmtPosUvColor结构大小 = 5
        let verts = this._renderData.vDatas[0];
        for (let i = 0; i < 4; i++) {
            // 2个1组取uv数据,写入renderData.vDatas对应位置
            let srcOffset = i * 2;
            let dstOffset = floatsPerVert * i + uvOffset;
            verts[dstOffset] = uv[srcOffset];
            verts[dstOffset + 1] = uv[srcOffset + 1];
        }
    }

updateColor()updateVerts() 的具体实现这里不再分析。



由于上面多次提到了顶点索引,对于不了解它的同学需要再单独解释一下。 ### 理解顶点索引

除了pos、uv、color数据之外,为什么还需要计算顶点索引数据?
我们发送给GPU的数据,实际上表示的是三角形,而不是四边形。一个四边形需要剖分成2个三角形然后传给GPU。
在4个顶点数据的基础上,三角形的描述信息单独存在 **IndiceBuffer (即renderData.iDatas)**里,IndiceBuffer里的每个值表示其对应顶点数据的下标。通过索引可以合并掉多个三角形中相同的顶点数据,减少总数据大小。



常规四边形的索引数据准备,源码位置:https://github.com/cocos-creator/engine/blob/master/cocos2d/core/renderer/webgl/render-data.js

    initQuadIndices(indices) {
      	// 按照上述剖分方式得到的下标: [0,1,2] [1,3,2]
        // 6个一组(对应1个四边形)生成索引数据
        let count = indices.length / 6;
        for (let i = 0, idx = 0; i < count; i++) {
            let vertextID = i * 4;
            indices[idx++] = vertextID;
            indices[idx++] = vertextID+1;
            indices[idx++] = vertextID+2;
            indices[idx++] = vertextID+1;
            indices[idx++] = vertextID+3;
            indices[idx++] = vertextID+2;
        }
    }

顶点格式自定义

现在进入正题,基于上面对Assembler以及相关类的解读,顶点格式自定义需要做这么几件事

  1. 定义新的格式
  2. 用新的格式准备足够长的renderData
  3. 在renderData对应位置写入自定义数据
  4. 在fillBuffers()方法内将renderData数据正确刷入buffer
// 自定义顶点格式,在vfmtPosUvColor基础上,加入gfx.ATTR_UV1,去掉gfx.ATTR_COLOR
let gfx = cc.gfx;
var vfmtCustom = new gfx.VertexFormat([
    { name: gfx.ATTR_POSITION, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 },
    { name: gfx.ATTR_UV0, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 },        // texture纹理uv
    { name: gfx.ATTR_UV1, type: gfx.ATTR_TYPE_FLOAT32, num: 2 }         // 自定义数据
]);

const VEC2_ZERO = cc.Vec2.ZERO;

export default class MovingBGAssembler extends GTSimpleSpriteAssembler2D {
    // 根据自定义顶点格式,调整下述常量
    verticesCount = 4;
    indicesCount = 6;
    uvOffset = 2;
    uv1Offset = 4;
    floatsPerVert = 6;

    // 自定义数据,将被写入uv1的位置
    public moveSpeed: cc.Vec2 = VEC2_ZERO;
    initData() {
        let data = this._renderData;
        // createFlexData支持创建指定格式的renderData
        data.createFlexData(0, this.verticesCount, this.indicesCount, this.getVfmt());

        // createFlexData不会填充顶点索引信息,手动补充一下
        let indices = data.iDatas[0];
        let count = indices.length / 6;
        for (let i = 0, idx = 0; i < count; i++) {
            let vertextID = i * 4;
            indices[idx++] = vertextID;
            indices[idx++] = vertextID+1;
            indices[idx++] = vertextID+2;
            indices[idx++] = vertextID+1;
            indices[idx++] = vertextID+3;
            indices[idx++] = vertextID+2;
        }
    }

    // 自定义格式以getVfmt()方式提供出去,除了当前assembler,render-flow的其他地方也会用到
    getVfmt() {
        return vfmtCustom;
    }

    // 重载getBuffer(), 返回一个能容纳自定义顶点数据的buffer
    // 默认fillBuffers()方法中会调用到
    getBuffer() {
        return cc.renderer._handle.getBuffer("mesh", this.getVfmt());
    }

    // pos数据没有变化,不用重载
    // updateVerts(sprite) {
    // }

    updateUVs(sprite) {
        // uv0调用基类方法写入
        super.updateUVs(sprite);
        // 填入自己的uv1数据
        // ...
        // 方法类似uv0写入,详见Demo
      	// https://github.com/caogtaa/CCBatchingTricks
    }

    updateColor(sprite) {
        // 由于已经去掉了color字段,这里重载原方法,并且不做任何事
    }
}


上面用到的 GTSimpleSpriteAssembler2D基类代码大部分参考官方cc.Sprite的实现。


双uv坐标shader案例

这里将通过额外的一组uv数据,实现纹理滚动的方向 & 速度控制。



用材质参数的方法同样能够实现这个效果,但是无法做到合批渲染。
基于上面给出的Assembler类,继续完善一下其他辅助类

材质

材质只用于关联effect,没有额外逻辑,也不需要新建uniform变量

RenderComponent (渲染组件)

Assembler可以理解为渲染组件的渲染数据装配器,渲染组件需要关联对应的Assembler才能进行渲染数据的更新和提交。本例基于常规的cc.Sprite组件加入自定义数据moveSpeed用于控制纹理移动。

@ccclass
export default class MovingBGSprite extends cc.Sprite {
    @property(cc.Vec2)
    moveSpeed: cc.Vec2 = cc.Vec2.ZERO;

    // 将自定义数据传递给assembler,在设置完所有参数后调用
    // 也可以在moveSpeed setter方法内主动传值,需要调用setVertsDirty()使顶点数据重算
    public FlushProperties() {
        let assembler: MovingBGAssembler = this._assembler;
        if (!assembler)
            return;

        assembler.moveSpeed = this.moveSpeed;
        this.setVertsDirty();
    }

    _resetAssembler () {
        this.setVertsDirty();
        let assembler = this._assembler = new MovingBGAssembler();
        this.FlushProperties();

        assembler.init(this);
    }
}

Effect (shader)

滚动效果非常简单,这里只贴出片元着色器代码
纹理滚动通过v_uv1.xy控制方向和速度

CCProgram fs %{
  precision highp float;

  #include <cc-global>
  #include <cc-local>

  in vec2 v_uv0;
  in vec2 v_uv1;

  uniform sampler2D texture;

  void main()
  {
    vec2 uv = v_uv0.xy;
    float tx = cc_time.x * v_uv1.x;
    float ty = cc_time.x * v_uv1.y;

    uv.x = fract(uv.x - tx);
    uv.y = fract(uv.y + ty);
    vec4 col = texture(texture, uv);

    gl_FragColor = col;
  }
}%

将RenderComponent组件挂在到对应节点上并赋予上述材质即可使用。
至此,一个简单的自定义顶点格式达到合批目的的功能就实现了!

Demo地址

demo基于Cocos Creator 2.4.0 (2.4会是Cocos Creator 2D的最后一个版本,也是LTS版本,大家赶紧用起来吧!)


如果小伙伴觉得这个Demo对自己有帮助,记得star哦~^_^~
https://github.com/caogtaa/CCBatchingTricks

写在后面

实际项目中可以灵活利用自定义顶点格式,达到给shader传参的目的,同时不会打断合批。
当然想要实现合批渲染,还有其他前置条件要满足,包括节点层级关系、合图、纹理状态等,这些在论坛其他帖子有详细讨论。


有错误的地方欢迎指正

---------- 20200703更新 ----------

  • Demo 扩展了顶点格式,用于处理动纹理动态合图之后的uv变化

---------- 20200706更新 ----------

  • Demo 增加了分层合批渲染演示
33赞

:kissing::kissing::kissing::kissing::kissing::kissing:

2赞

自己顶一下 :slight_smile:

挺好,uv计算是挺方便的,我的无限延长的线段都是这么计算的.是挺方便…

1赞

:+1: 不错,先收藏着,以后可能会用到~

:grin: 这一篇文章的续集有了!

1赞

感谢冰大佬引用:smiling_imp:

1赞

意思是下个版本 creator 2d和3d终于要合并了?

2赞

对的,官方直播里说了。

1赞

自己看源码的时候两眼一懵逼。给大佬点烟 :+1:

2赞

给大佬点烟

1赞

多谢大佬!

大佬牛逼,学习中

谢谢,正要用到

学习了,感谢分享

cc_time是系统自带吗

是系统自带。不过2.4之前引擎有bug,cc_time的值是不正确的。可以通过自己外部传入time绕过这个问题。

mak zhu xian

增加一个自定义顶点格式的应用案例

###mark

想问一下这个方法在真机和模拟器环境下有用吗?我这边自己写了一个demo在web上跑是好的,但是模拟器就不显示了