交通模拟的项目，要添加大量的行人，自然想到的肯定要用Animation Instancing。其主要思路是把骨骼动画烘焙成贴图，skinning状态是per instance的，在vertex shader中读取animation texture做skinning运算。笔者这里有几点不同。

视角更远，甚至都没必要做骨骼蒙皮，直接用顶点动画即可
动画状态机没有gameplay逻辑，是一个随机过程就好

UnityAustinTechnicalPresentation提供了一个ECS的集群动画案例，虽然其代码已经编译不出来了，但是通过阅读源码可以了解其大致逻辑

启动时将骨骼动画数据烘焙成动画贴图
gameplay逻辑中更新状态ID，这部分相当于hardcode的状态机。Job里面目测没法反射或者模板，animator自然是不能用了。Hardcode状态机是不太好维护了。
per instance数据更新进NativeArray，直接就可以转成ComputeBuffer，然后DrawMeshInstancedIndirect

做法基本遵循了Animation Instancing的方法。

但笔者这里的方法有一点区别是：

使用Houdini预先烘焙顶点动画贴图
使用转移矩阵控制动画状态切换，即Markov Chain，使用Job并行更新状态
DrawMeshInstance

这样主要优点是

shader运算量更小，顶点不用做skinning直接采样位置就行
避免动画状态机hardcoding，方便配置

当然缺点就是近距离观察效果不好，动画没有gameplay逻辑了，因此只适用于背景性的大规模集群动画。

顶点动画制作

动画数据直接就用Houdini自带的MocapBiped了，只是要做一下减面。减面稍微有点trick是原始模型上下半身和头是分开的mesh，需要先fuse再polyreduce。之后烘焙顶点动画用GameDevelopmentTool很容易，原理可以参考笔者之前的博客 Mesh Vertex Animation In Unity | Unity中顶点动画笔者这里将四个动画烘焙在一张贴图上。256个顶点512帧，正好256*512的贴图。

下图是houdini中一个原始动画的效果预览

动画状态转换

马尔可夫链就是一个状态转移的随机过程，下一个状态只跟上一个状态有关。这和我们随机动画的性质很相似，可以让下一个动画出现的概率只跟上一个动画相关，用一个转移矩阵表示。

比如下面表示了一个四个动画状态的转移矩阵，每一列列头是原始状态，每一列之和是1。每一行是下一个状态的概率。

	walk	run	stand	wait
walk	0.6	0.5	0.7	0.7
run	0.2	0.1	0.1	0.1
stand	0.1	0.3	0.1	0.1
wait	0.1	0.1	0.1	0.1

这个好处是代码实现足够简单，状态也很丰富。完全可通过参数配置不必hardcode状态机。另外一个好处是与Job System相关的，Job里目前只能有blitable type，目前还不支持把animator放进Job里面。笔者这里只做了四个动画部分原因也是ECS新的版本没有FixedArray了，定长数组不知道怎么写，最多只能存一个float4x4了。

这样动画状态转换只需要几十行的一个job就行

[BurstCompile]
struct PedestrianStateTransitionJob : IJobParallelFor
{
    public ComponentDataArray<PedestrianData> PedestrianData;
    public ComponentDataArray<PedestrianState> States;
    public ComponentDataArray<InstanceRendererProperty> StateProperty;
    public Random RdGen;
    public float DeltaTime;
    public PedestrianAnimStateConfig PedestrianAnimStateConfig;
    public void Execute(int index)
    {
        int currentState = States[index].State;
        float cd = States[index].CoolDown - DeltaTime;
        if (cd < 0)
        {
            PedestrianState newstate = States[index];
            PedestrianData newdata = PedestrianData[index];
            InstanceRendererProperty newproperty = StateProperty[index];
            int nextstate = NextState(currentState);
            newproperty.Value = PedestrianAnimStateConfig.StateFrameRange[nextstate];
            newstate.CoolDown = RdGen.NextFloat(
            PedestrianAnimStateConfig.DurationRange[nextstate].x,
            PedestrianAnimStateConfig.DurationRange[nextstate].y);
            newdata.Speed = RdGen.NextFloat(
            PedestrianAnimStateConfig.SpeedRange[nextstate].x,
            PedestrianAnimStateConfig.SpeedRange[nextstate].y);

            StateProperty[index] = newproperty;
            PedestrianData[index] = newdata;
            States[index] = newstate;
        }
        else
        {
            States[index] = new PedestrianState() { CoolDown = cd, State = currentState };
        }
    }
    //markov chain, sample from transition probability matrix
    int NextState(int currentState)
    {
        int nextstate = 3;
        float3 transitionPoss = PedestrianAnimStateConfig.TransitionProbability[currentState];
        float randseed = RdGen.NextFloat();
        if (randseed < transitionPoss.x)
        {
            nextstate = 0;
        }
        else if (randseed < transitionPoss.x + transitionPoss.y)
        {
            nextstate = 1;
        }
        else if (randseed < transitionPoss.x + transitionPoss.y + transitionPoss.z)
        {
            nextstate = 2;
        }
        return nextstate;
    }
}

[BurstCompile]

struct PedestrianStateTransitionJob : IJobParallelFor

{

public ComponentDataArray<PedestrianData> PedestrianData;

public ComponentDataArray<PedestrianState> States;

public ComponentDataArray<InstanceRendererProperty> StateProperty;

public Random RdGen;

public float DeltaTime;

public PedestrianAnimStateConfig PedestrianAnimStateConfig;

public void Execute(int index)

{

int currentState = States[index].State;

float cd = States[index].CoolDown - DeltaTime;

if (cd < 0)

{

PedestrianState newstate = States[index];

PedestrianData newdata = PedestrianData[index];

InstanceRendererProperty newproperty = StateProperty[index];

int nextstate = NextState(currentState);

newproperty.Value = PedestrianAnimStateConfig.StateFrameRange[nextstate];

newstate.CoolDown = RdGen.NextFloat(

PedestrianAnimStateConfig.DurationRange[nextstate].x,

PedestrianAnimStateConfig.DurationRange[nextstate].y);

newdata.Speed = RdGen.NextFloat(

PedestrianAnimStateConfig.SpeedRange[nextstate].x,

PedestrianAnimStateConfig.SpeedRange[nextstate].y);

StateProperty[index] = newproperty;

PedestrianData[index] = newdata;

States[index] = newstate;

}

else

{

States[index] = new PedestrianState() { CoolDown = cd, State = currentState };

}

//markov chain, sample from transition probability matrix

int NextState(int currentState)

{

int nextstate = 3;

float3 transitionPoss = PedestrianAnimStateConfig.TransitionProbability[currentState];

float randseed = RdGen.NextFloat();

if (randseed < transitionPoss.x)

{

nextstate = 0;

}

else if (randseed < transitionPoss.x + transitionPoss.y)

{

nextstate = 1;

}

else if (randseed < transitionPoss.x + transitionPoss.y + transitionPoss.z)

{

nextstate = 2;

}

return nextstate;

}

渲染调用

最近的ECS更新中，虽然有了MeshInstanceRenderer这个组件，但问题是没法设置instancing的参数数组，因此就必须自己写一套Instancing System来传递这个参数数组。

ECS原生的MeshInstanceRendererSystem中还耦合一套LODSystem相对较为复杂，笔者这里甚至都不需要LOD，毕竟都已经顶点动画了，只是超过一定距离裁剪掉好了。但可以参考MeshInstanceRendererSystem中做Batch的方法，用SharedComponentData的ID作为key，添加到NativeMultiHashmap中，因为每次drawmeshinstance肯定是同一个SharedComponentData啦。

一个比较蠢的事情是想在ComponentSystem里面访问SharedComponentData很麻烦，只能用ArchetypeChunks来访问SharedComponentData。这里ArchetypeChunks可能可以理解成一组内存中的区域，component数据紧密聚集在这个chunks中。一个entityarray是可能有几个ArchetypeChunks的。分线程开Job的时候可能也是扔给它一个ArchetypeChunks，毕竟要提高缓存命中嘛。

不过用ArchetypeChunks有个好处是可以加个lodsystem，让每个ArchetypeChunks的lod都不一样，这样方便batch，不用用迭代器逐元素访问来batch，直接一个memcpy就一组过去了，快一些，原生MeshInstanceRendererSystem目测是这么搞的？

总之呢我们显示通过视锥剔除将可见的添加到NativeMultiHashmap，然后逐key访问元素batch起来就好了。

遍历的代码大概长这样

public void Render()
{
    for (int i = 0; i < _renderData.Count; i++)
    {
        if (_renderData[i].Material && _renderData[i].Mesh)
        {
            Entity ent;
            NativeMultiHashMapIterator<int> iterator;
            if (_batcher.TryGetFirstValue(i, out ent, out iterator))
            {
                InstanceRendererProperty prop = EntityManager.GetComponentData<InstanceRendererProperty>(ent);
                _renderer.Init(_renderData[i], prop);
                _renderer.Batch(ent);
                while (_batcher.TryGetNextValue(out ent, ref iterator))
                {
                    _renderer.Batch(ent);
                }
                _renderer.Final();
            }
        }
    }
}

public void Render()

{

for (int i = 0; i < _renderData.Count; i++)

{

if (_renderData[i].Material && _renderData[i].Mesh)

{

Entity ent;

NativeMultiHashMapIterator<int> iterator;

if (_batcher.TryGetFirstValue(i, out ent, out iterator))

{

InstanceRendererProperty prop = EntityManager.GetComponentData<InstanceRendererProperty>(ent);

_renderer.Init(_renderData[i], prop);

_renderer.Batch(ent);

while (_batcher.TryGetNextValue(out ent, ref iterator))

{

_renderer.Batch(ent);

}

_renderer.Final();

}

renderer里面核心是submit和batch这俩，跟MeshInstanceRendererSystem区别主要是多了一个MaterialPropertyBlock设置instancing参数。

private void Submit()
{
    Utils.CopyToFloat4(propertyParams, param);
    Utils.CopyToFloat4x4(matrices, transforms);
    propertyBlock.SetVectorArray(shaderId, param);
    Graphics.DrawMeshInstanced(data.Mesh, data.SubMesh, data.Material, transforms, batchCount, propertyBlock, data.CastShadows, data.ReceiveShadows);
    batchCount = 0;
}

public void Batch(Entity ent)
{
    if (batchCount >= 1023)
    {
        Submit();
    }
    var loc = manager.GetComponentData<LocalToWorld>(ent);
    var prop = manager.GetComponentData<InstanceRendererProperty>(ent);
    matrices[batchCount] = loc.Value;
    propertyParams[batchCount] = prop.Value;
    batchCount++;
}

private void Submit()

{

Utils.CopyToFloat4(propertyParams, param);

Utils.CopyToFloat4x4(matrices, transforms);

propertyBlock.SetVectorArray(shaderId, param);

Graphics.DrawMeshInstanced(data.Mesh, data.SubMesh, data.Material, transforms, batchCount, propertyBlock, data.CastShadows, data.ReceiveShadows);

batchCount = 0;

}

public void Batch(Entity ent)

{

if (batchCount >= 1023)

{

Submit();

}

var loc = manager.GetComponentData<LocalToWorld>(ent);

var prop = manager.GetComponentData<InstanceRendererProperty>(ent);

matrices[batchCount] = loc.Value;

propertyParams[batchCount] = prop.Value;

batchCount++;

}

注意batch完用DrawMeshInstanceIndirect的方法可能性能更好，不过移动端支持会比较差，估计也就iphone能行。

相关所有代码都在笔者Github项目OSMTrafficSim中

参考资料

Animation Instancing，Unity工程师的技术Demo

UnityAustinTechnicalPresentation，最近的ECS Demo，使用了集群动画

ChunkIteration，官方文档里关于如何迭代ArchetypeChunks的部分

Stochastic Matrix/Probability Transition Matrix,马尔可夫链中状态转移矩阵的定义

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Unity ECS, Swarm Animation and Markov Chain| ECS集群动画与马尔可夫链

顶点动画制作

动画状态转换

渲染调用

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