Development Updates

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因為已經很久沒有新文章，今天就來更新一下開發進度吧。

六月將Switch繪圖底層移植的工作完成後，終於有時間回到自己的專案來工作。之前雖然已經在Unity上將 voxel系統做了一些嘗試，但一直都沒有時間將程式碼做一個整理以及最佳化，所以就趁著還沒辦法開始production的這段時間先來做一些前製的工作，將該準備好的技術都先整理完成。同時因為還是會用voxel的模型來製作遊戲，所以美術的製程跟一般傳統遊戲會有些不同，因此也需要將技術部分確定後建立起之後的美術製程。

之前其實我用了兩種方法在Unity上實作voxel系統，一種是用內建的particle system，但由voxel system控制每一個分子的移動以及位移，因為底層是Unity自家最佳化過的，所以效能較好，但是缺點就是彈性較小。另一種方法則是使用material instancing，這種做法就跟我之前引擎是類似的，優點就是彈性更大，但是在之前實作中效能跟particle system還是有點差距。所以這次的任務就是優化material instancing based voxel system，同時還要設計一個新的檔案格式符合新的voxel system的新功能。

分析了一下material instancing based voxel system，發現瓶頸是在每個update中的4x4矩陣相乘，不過這部分其實很單純，就是呼叫以下function

static void InstanceTransformUpdate(ref Matrix4x4 o, ref Matrix4x4 p, ref Matrix4x4 t){o = p * t;}

於是我試著將移除矩陣相乘的operator overloading，將function改成如下

static void InstanceTransformUpdate(ref Matrix4x4 o, ref Matrix4x4 p, ref Matrix4x4 t)
{
o.m00 = p.m00 * t.m00 + p.m01 * t.m10 + p.m02 * t.m20 + p.m03 * t.m30;
o.m01 = p.m00 * t.m01 + p.m01 * t.m11 + p.m02 * t.m21 + p.m03 * t.m31;
o.m02 = p.m00 * t.m02 + p.m01 * t.m12 + p.m02 * t.m22 + p.m03 * t.m32;
o.m03 = p.m00 * t.m03 + p.m01 * t.m13 + p.m02 * t.m23 + p.m03 * t.m33;

o.m10 = p.m10 * t.m00 + p.m11 * t.m10 + p.m12 * t.m20 + p.m13 * t.m30;
o.m11 = p.m10 * t.m01 + p.m11 * t.m11 + p.m12 * t.m21 + p.m13 * t.m31;
o.m12 = p.m10 * t.m02 + p.m11 * t.m12 + p.m12 * t.m22 + p.m13 * t.m32;
o.m13 = p.m10 * t.m03 + p.m11 * t.m13 + p.m12 * t.m23 + p.m13 * t.m33;

o.m20 = p.m20 * t.m00 + p.m21 * t.m10 + p.m22 * t.m20 + p.m23 * t.m30;
o.m21 = p.m20 * t.m01 + p.m21 * t.m11 + p.m22 * t.m21 + p.m23 * t.m31;
o.m22 = p.m20 * t.m02 + p.m21 * t.m12 + p.m22 * t.m22 + p.m23 * t.m32;
o.m23 = p.m20 * t.m03 + p.m21 * t.m13 + p.m22 * t.m23 + p.m23 * t.m33;

o.m30 = p.m30 * t.m00 + p.m31 * t.m10 + p.m32 * t.m20 + p.m33 * t.m30;
o.m31 = p.m30 * t.m01 + p.m31 * t.m11 + p.m32 * t.m21 + p.m33 * t.m31;
o.m32 = p.m30 * t.m02 + p.m31 * t.m12 + p.m32 * t.m22 + p.m33 * t.m32;
o.m33 = p.m30 * t.m03 + p.m31 * t.m13 + p.m32 * t.m23 + p.m33 * t.m33;
}

結果效能顯著的提升，從75 fps直接跳到120 fps! 起初我以為是C#的數學運算效能問題，後來有朋友傳來Unity的C# 原始碼，一切才水落石出，以下是Unity的矩陣相乘原始碼

// Multiplies two matrices.

public static Matrix4x4 operator*(Matrix4x4 lhs, Matrix4x4 rhs)

{

    Matrix4x4 res;

    res.m00 = lhs.m00 * rhs.m00 + lhs.m01 * rhs.m10 + lhs.m02 * rhs.m20 + lhs.m03 * rhs.m30;

    res.m01 = lhs.m00 * rhs.m01 + lhs.m01 * rhs.m11 + lhs.m02 * rhs.m21 + lhs.m03 * rhs.m31;

    res.m02 = lhs.m00 * rhs.m02 + lhs.m01 * rhs.m12 + lhs.m02 * rhs.m22 + lhs.m03 * rhs.m32;

    res.m03 = lhs.m00 * rhs.m03 + lhs.m01 * rhs.m13 + lhs.m02 * rhs.m23 + lhs.m03 * rhs.m33;

    res.m10 = lhs.m10 * rhs.m00 + lhs.m11 * rhs.m10 + lhs.m12 * rhs.m20 + lhs.m13 * rhs.m30;

    res.m11 = lhs.m10 * rhs.m01 + lhs.m11 * rhs.m11 + lhs.m12 * rhs.m21 + lhs.m13 * rhs.m31;

    res.m12 = lhs.m10 * rhs.m02 + lhs.m11 * rhs.m12 + lhs.m12 * rhs.m22 + lhs.m13 * rhs.m32;

    res.m13 = lhs.m10 * rhs.m03 + lhs.m11 * rhs.m13 + lhs.m12 * rhs.m23 + lhs.m13 * rhs.m33;

    res.m20 = lhs.m20 * rhs.m00 + lhs.m21 * rhs.m10 + lhs.m22 * rhs.m20 + lhs.m23 * rhs.m30;

    res.m21 = lhs.m20 * rhs.m01 + lhs.m21 * rhs.m11 + lhs.m22 * rhs.m21 + lhs.m23 * rhs.m31;

    res.m22 = lhs.m20 * rhs.m02 + lhs.m21 * rhs.m12 + lhs.m22 * rhs.m22 + lhs.m23 * rhs.m32;

    res.m23 = lhs.m20 * rhs.m03 + lhs.m21 * rhs.m13 + lhs.m22 * rhs.m23 + lhs.m23 * rhs.m33;

    res.m30 = lhs.m30 * rhs.m00 + lhs.m31 * rhs.m10 + lhs.m32 * rhs.m20 + lhs.m33 * rhs.m30;

    res.m31 = lhs.m30 * rhs.m01 + lhs.m31 * rhs.m11 + lhs.m32 * rhs.m21 + lhs.m33 * rhs.m31;

    res.m32 = lhs.m30 * rhs.m02 + lhs.m31 * rhs.m12 + lhs.m32 * rhs.m22 + lhs.m33 * rhs.m32;

    res.m33 = lhs.m30 * rhs.m03 + lhs.m31 * rhs.m13 + lhs.m32 * rhs.m23 + lhs.m33 * rhs.m33;

    return res;

}

原來問題是來自於pass by value，如果直接使用Matrix4x4的乘法operator，每一次的相乘就會new出三個暫時的Matrix4x4，而這就是效能衰退的原因，同時還可能會造成GC的問題。不過我比較不理解的是為何Unity不另外增加一個static的數學lib是可以直接 pass by reference，讓需要效能的地方可以有個選擇，之前我的引擎雖然是C++，但是為了避免多一個copy動作，我就有設計另一組static的數學lib來給需要效能的地方使用。

之後我還嘗試了將矩陣相乘用C++寫成plugin，甚至用組合語言改寫並加上SSE加速，但效能提升很有限，所以最後我還是決定使用C#的static math function就好。不過即便如此，提升後的效能還是跟particle system有段差距。我想到如果能將矩陣運算丟入GPU的話，應該能提升更多效能，於是修改了rendering的code以及shader，終於可以得到跟Particle System差不多的效能，在某些情況下還可以超越。將來如果有時間，我大概會想辦法把剩下的CPU運算都丟進compute shader中，不過以目前的專案來說這樣的效能應該已經足夠，所以我就先在這裡打住了。

這次還做了一個之前一直想做的新設計就是將voxel data跟rendering的code分離，藉由將這兩個類別decouple讓整個系統更有彈性同時也可以得到更好的效能。

回到遊戲專案上，其實目前專案的進度有點卡住，主要是因為還沒有找到合適的美術人選，所以只能先從技術部分下手，但是關於rendering的部分因為沒有確定風格也無法展開太多的研究。這次的專案是一個以voxel為基礎的動作遊戲，如果有對做voxel類型遊戲有興趣的美術高手我們可以聊聊喔 :)