【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:
-
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 -
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
的
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()
和 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
- 定义新的格式
- 用新的格式准备足够长的renderData
- 在renderData对应位置写入自定义数据
- 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