uSpringBone开源库测评

uSpringBone开源库测评

  • 作者：admin
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  • 时间：2019年07月25日
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  • 分类：博物纳新

本期博物纳新要给大家推荐的这个开源库，也是在UWA DAY 2019上分享过的一个使用ECS和JobSystem改造的加速版SpringBone，叫做uSpringBone。

一、介绍

在开源库中我们常看到使用到ECS、Job System以及Burst编译器的项目。之前在【博物纳新】中也介绍过这类项目：

《Unity网格变形开源库测评》
《超级变变变，万人同屏开源库推荐！》

它们大都擅长于解决大量复杂计算的场景。

今天介绍的uSpringBone是在之前的SpringBone基础上，改成了ECS+JobSystem的版本。

原SpringBone链接：https://lab.uwa4d.com/lab/5b563ca3d7f10a201fd8c2a2
uSpringBone链接：https://lab.uwa4d.com/lab/5bf67e9d72745c25a836b5ca

二、项目解读

在项目中提供了一个Setup场景，用于展示uSpringBone的效果。同时还有原始版本的SpringBone作为对比参考。

在OriginSpringBone中，通过一个SpringManager来进行管理，需要添加弹簧效果的骨骼全都挂载在SpringManager上。

然后通过SpringManager中在LateUpdate里循环遍历这些SpringBone计算每根骨骼的弹力及位置，并进行碰撞冲突解决。

而uSpringBone的核心，就是把这些复杂的计算逻辑改成ECS版本，并通过JobSystem执行下发。

把uSpringBone的核心脚本找出来，是四个脚本：

  • SphereColliderComponent：球形碰撞体组件，用于添加到需要计算碰撞的必要节点上。当然，由于要用Job System来加速，这必须是一个IComponentData类型的数据结构。
  • SpringBoneComponent：弹簧骨骼组件，用于添加到需要应用弹簧效果的骨骼节点上，同样这也是一个IComponentData类型的数据。
  • SpringBoneChain：弹簧骨骼管理组件，用于添加到一个所有SpringBone的父节点上。
  • SpringBoneJobScheduler：SpringBone的运行进程管理脚本。

前两个Component组件都比较简单，主要定义了其中的一些属性及方法。主要的计算逻辑都在SpringBoneChain的Execute方法中。包含弹力计算、碰撞计算、位置计算等。

SpringBoneChain.cs中的Execute方法的核心代码如下：

// spring.
for (int i = 0; i<boneData.Length; ++i)
{
    var bone = boneData[i];

    // set root parent data.
    ...

    // get local and grobal position.
    ...

    // calculate force.
    float3 force = mul(grobalRotation, (bone.boneAxis * bone.stiffnessForce)) / sqrDt;
    force += (bone.previousEndpoint - bone.currentEndpoint) * bone.dragForce / sqrDt;
    force += bone.springForce / sqrDt;

    float3 temp = bone.currentEndpoint;
    var dataTemp = boneData[i];

    // calculate next endpoint position.
    dataTemp.currentEndpoint = (dataTemp.currentEndpoint - dataTemp.previousEndpoint) + dataTemp.currentEndpoint + (force* sqrDt);
    dataTemp.currentEndpoint = (normalize(dataTemp.currentEndpoint - grobalPosition) * dataTemp.springLength) + grobalPosition;

    // collision.
    for (int j = 0; j<selectedColliderList.Length; ++j)
    {
        var collider = colliderData[j];
        var colliderPosition = position[selectedColliderList[j].entity].Value;
        if (distance(dataTemp.currentEndpoint, colliderPosition) <= (bone.radius + collider.radius))
        {
            float3 normal = normalize(dataTemp.currentEndpoint - colliderPosition);
            dataTemp.currentEndpoint = colliderPosition + (normal* (bone.radius + collider.radius));
            dataTemp.currentEndpoint = (normalize(dataTemp.currentEndpoint - grobalPosition) * dataTemp.springLength) + grobalPosition;
        }
    }

    dataTemp.previousEndpoint = temp;

    // calculate next rotation.
    float3 from = mul(parentRotation, bone.boneAxis);
    float3 to = dataTemp.currentEndpoint - grobalPosition;
    float diff = length(from - to);
    quaternion targetRotation = Quaternion.identity;
    if(float.MinValue<diff && diff<float.MaxValue)
        targetRotation = Quaternion.FromToRotation(from, to);

    // set calculated data.
    dataTemp.grobalPosition = parentPosition + mul(parentRotation, localPosition);
    dataTemp.grobalRotation = Quaternion.Lerp(dataTemp.grobalRotation, mul(targetRotation, parentRotation), 1f); // TODO: lerp parameter
    parentPosition = dataTemp.grobalPosition;
    parentRotation = dataTemp.grobalRotation;

    // update data.
    ...

    // update entity.
    ...
}

再在SpringBoneJobScheduler.cs脚本中，管理对SpringBoneChain的调用。在脚本上定义了执行顺序为-32000，以此来保证Job尽可能早地分发下去，最大程度利用Worker线程工作。

[ScriptExecutionOrder(-32000)]
public class SpringBoneJobScheduler : MonoBehaviour
{
  ...
}

三、性能测评

这么大费周章都是为了能有更好的性能表现，两种实现方式下性能到底有多大的差异呢？我们从FPS、CPU耗时、多线程分析等几个方面来做性能测评。

选择的测试场景为项目中给出的示例场景，包含了35个示例角色（68个SpringBone骨骼）。

在FPS的测试上，选择了两款高通CPU的安卓设备，都是中高端的机型，分别是骁龙845和骁龙660，也是这两年比较主流的CPU型号。分别选择IL2CPP和Mono两种编译方式进行打包，得到对应的FPS均值如下表：

从以上数据可以看出，uSpringBone相比于传统的SpringBone方式，还是有很明显的帧率提升效果的。在骁龙845这样的高端机上，即使同屏35个SpringBone的角色，帧率也是轻松超过30fps可以在40～50帧的范围内波动的，为手游更多人、更精致的画面效果提供了更多的可能性。

那么接下来就具体来看一下这些性能差异具体体现在哪些函数上，以及uSpringBone是如何充分发挥WorkerThread的作用的。

我们选择了骁龙845上的IL2CPP版本的两次测试数据，使用对比功能对比代码效率-CPU耗时的函数耗时。上图中对比版本为OriginSpringBone，当前版本为uSpringBone。可以看到OriginSpringBone中的SpringManager.LateUpdate耗时完全没有了。

同时在uSpringBone的多线程耗时中，找到了SpringBoneChain-SpringBoneJob，也就是uSpringBone的Job System耗时，以下截图为其中一个Worker线程的耗时曲线，其他Worker线程中的耗时与之相近。

四、总结

uSpringBone是一个应用Dots优化计算密集型逻辑耗时的实践，可以看到改造过程并不复杂，性能优化效果却很明显。

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