DrawMeshInstanced 毛发渲染

一、效果展示

1.1 静帧效果

1.2 动态效果

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二、技术拆解

2.1 整体架构与数据流向

• 脚本组成：
  • FurSkinBody → FurManager → FurDrawInstancedFeature（数据准备驱动与执行调度）
  • FurMaterial、EyeMaterial（材质渲染效果）
• 对应数据流向与处理：
  • 单体 Mesh + VertexBuffer（Current + Previous）+ ShellCount (FurSkinBody)
  • → VertexAllBuffer（CopyBuffer Compute Shader）+ InstanceDataBuffer + RigidVelocityBuffer + RigidOffsetBuffer (FurManager)
  • → FurDrawInstancedFeature 执行 DrawMeshInstanced

2.2 FurShader 静态几何表现

• 毛发基础形状：通过采样 Voronoi 贴图在 Fragment Shader 阶段进行 clip 操作；
• 毛发长短：修改顶点色（Vertex Color）控制毛发长短：
• 整体毛发卷曲度：通过重映射 remap(shellDepth, 1, -1) 模型世界空间法线的系数，配合后续 Flowmap + 毛发簇实现加强卷曲效果：
• 低频毛发流向：自制毛发流向编辑器工具：
• 中频毛发簇的实现：
  • 形态参照：
  • 通过 Substance Designer 获取 Voronoi 高度图 → 生成 flowmap_clump（向种子点内聚）：
• 几何效果迭代展示：
  • 基础形状：
  • 叠加 Flowmap：
  • 叠加 Flowmap + Flowmap_clump：

2.3 着色模型

• 毛发粗糙度渐变模型： 动物毛发通常内外毛粗糙度有明显变化，故根据 shellDepth 进行粗糙度的 Remap 映射。
• 漫反射项：
  • 直接光：半 Lambert（Half-Lambert）→ 模拟毛发多重散射导致的暗部偏亮提亮效果；
  • 间接光：基础漫反射环境光（Spherical Harmonics / Ambient）。
• 镜面反射项：
  • 直接光：
    • Kajiya-Kay 模型：毛发的切线来源于几何部分的毛发形体（混合模型法线、Flowmap 与 Flowmap_clump）；配合毛发粗糙度渐变模型，避免毛发显得油腻并具有丰富节奏变化： (具有渐变加强) (不具有渐变加强)
  • 间接光：
    • 理想毛发法线：假设光线只打入毛发圆柱体过中轴线的一点，推导公式： 根据理想毛发法线进行镜面反射环境光（IBL Specular）计算。
  • SSS（次表面散射）： 通过 LightDir、-ViewDir 与模型世界空间法线进行混合与加权计算：

2.4 骨骼层级毛发摆动效果（物理模拟）

来源于 RigidOffsetBuffer，根据胡克定律（弹簧-阻尼系统）进行物理模拟：

2.5 EyeShader（眼球渲染）

• 视差映射（角膜折射模拟）： 通过模型空间 Y 值与 Height Property 差值确定虹膜深度，根据深度与 ViewDirOS 进行 UV 偏移： (视差映射 Off) (视差映射 On)
• 虹膜漫反射 + 风格化角膜焦散：
  • 法线变换（模拟虹膜内凹结构）：

    float3 N_iris = reflect(-N, TransformObjectToWorldDir(float3(0, 1, 0)));

  • 焦散表现：在虹膜漫反射基础上做范围 Power 增强 + 焦散 Mask：
• 整体非线性混合： 眼白镜面反射 + 角膜镜面反射 + 虹膜漫反射 + 风格化角膜焦散，使用 Sigmoid 函数对模型空间 Y 值与 Height Property 差值做 Remap（$\text{sigmoid}(y)=\frac{1}{1+e^{-x}}$）： (非线性混合 On) (非线性混合 Off)

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三、骨骼层级毛发摆动效果的具体实现

• 数据流向： SkinMeshRenderer.VertexBuffer + SkinMeshRenderer.PreviousVertexBuffer → RigidOffsetBuffer + RigidVelocityBuffer → FurShader 毛发偏移采样
• Offset + Velocity 的计算原理（胡克定律 弹簧-阻尼模型）：
  • 毛发外力来源（以骨骼坐标系为参考系）：
    • 阻尼项：空气阻力与其他损耗（数值与速度大小呈正相关）；
    • 弹簧力项：$-\Delta x\cdot k$
  • 公式递推： $F=-\text{Offset}\cdot k-\text{damping}\cdot v$ $F=m\cdot a$ $v+a\cdot \Delta t=v_{\text{next}}$ $\text{Offset}+v_{\text{next}}\cdot \Delta t={\text{Offset}}_{\text{next}}$

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四、渲染性能优化

• 毛发几何生成技术支持：
  • DrawMeshInstanced：相对于传统多 Pass 绘制，已将 DrawCall 降低为 1 次；
  • Clip 指令缺陷：若 ZWrite On，GPU 的 Early-Z 硬件深度剔除失效，导致大量被遮挡毛发产生冗余片元计算。
• 解决 Clip 导致的冗余片元计算方案：
  • DepthOnlyPass (PreDepth)：共用正常 Pass 的顶点着色器，Fragment 阶段仅做 clip 判断，不进行复杂光照着色；
  • NormalPass / ForwardPass：开启 ZWrite Off，重新激活 Early-Z 剔除。
• 优化前后帧时间对比： (优化前: 1.36ms) (优化后: 1.08ms) 在近距离特写视角下，片元计算压力极大，该项优化带来的性能提升尤为显著。

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五、美术与审美拆解

• 原始模型贴图来源于网络资源；
• 毛发形态的节奏差异：
  • 基础 Shell 毛发（高频细节）；
  • 毛发簇实现（中频结构）；
  • 毛发整体流向（低频大势）。
• 眼球虹膜贴图设计（色彩对比）：
  • 虹膜最外层选取模型身体贴图颜色的低饱和互补色（兼顾整体和谐与细节差异）；
  • 虹膜内层设计互补色渐变过渡（在差异化前提下保持视觉舒适）；
  • 虹膜纹理节奏严格控制在中频与相对低频之间。

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六、个人进一步思考与架构演进

• 架构演进：当前架构对场景内单体具有毛发的角色属于最优解；但对于群体同屏角色，架构仍需升级：
  • 动画去重（VertexBuffer 去重） → 极大降低 VRAM 显存占用；
  • 逐去重 Mesh + One Material + MaterialDataBuffer 执行 DrawInstance → 使总 DrawCall 数量仅与 Mesh 种类数正相关；
  • 针对当前 Single VertexBuffer -> VertexAllBuffer 架构中存在的 VRAM 内存拷贝消耗，探索更直接的 Buffer 映射优化。