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10万オブジェクトを低レイヤーの力で描画する

2025/06/23に公開

問題のコード

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class Performance : MonoBehaviour
{
    public float speed = 0.1f;
    public GameObject target;
    List<GameObject> gameobjects = new List<GameObject>();
    void Start()
    {
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            gameobjects.Add(Instantiate(target, RandomPos(100), Quaternion.identity));
        }
    }
    Vector3 RandomPos(float distance)
    {
        return new Vector3(Random.Range(-distance,distance), Random.Range(-distance, distance),Random.Range(-distance, distance));
    }
    private void FixedUpdate()
    {
        foreach(GameObject obj in gameobjects)
        {
            obj.transform.position -= (obj.transform.position - new Vector3(0,0,0)).normalized* speed;
        }
    }
}

なぜなのか

このようなコード、すべてのクローンしたオブジェクトを中心に集めるコードですが、かなり重たく、20FPSぐらいが出ています。

これらを最適化しましょう。まずは重い処理を見つけます。
Unityのプロファイラーを見てみます。

下の表示をタイムラインからヒエラルキーにすると、レンダーがかなりの処理をしていることがわかります。レンダラーで17msですので、60フレームにかかる時間は1020msです。
そして、スクリプトの14msも併せたら60フレームにかかる時間は1860msです。そのため、30FPSぐらいしか出せていないことがわかります。

デバッグ

自分はVulkanユーザーなのでRenderDocを使用します。
https://renderdoc.org/
インストール後、UnityのGame部分を右クリックし、Load RenderDocを押せば使えるようになります。

カメラボタンを押せばrenderdocが起動します。
自分の場合ちゃんとvulkanになっています。

Capture Frame(s) Immediatelyを押せばフレームをキャプチャしてくれます。

コマンドを確認することができました。

キャプチャを確認

こちらを詳しく見ていくと...

DepthとDrawの処理がとても重たいのがわかります。

vkCmdDrawIndexedが大量に呼ばれているのがわかりますね。

修正

これを解決するのですが、vulkanやってる方ならわかると思いますが、明らかにIndirectDrawの出番です。

ではやってみましょう。
Unityには不思議なGPUInstancingという機能があります。

DrawSRPBatcherという不思議なコールを使用します。

どうやら、CPUの大量のデータからGPU側にデータを渡し高速化するもののようです。
しかし、

大量のコマンドをいまだに実行しているのでまだ微妙ですね。

Graphics.DrawMeshInstancedIndirect
というものが使用できそうです。

引数付きバッファ bufferWithArgs は、指定された argsOffset オフセットに5つの整数値（インスタンスあたりのインデックス数、インスタンス数、開始インデックス位置、ベース頂点位置、開始インスタンス位置）を持つ必要があります。

とdocsに書いてあります。そのため、
・index count per instance
・instance count
・start index location
・base vertex location
・start instance location
とできます。
そしてここのargsBufferはおそらくGPU側でのメモリが必要なのでComputeBufferを使用します。

argsBuffer = new ComputeBuffer(1, args.Length * sizeof(uint), ComputeBufferType.IndirectArguments);
argsBuffer.SetData(args);

のようにします。

public Mesh mesh;
private uint[] args = new uint[5];

args[0] = (uint)mesh.GetIndexCount(0);
args[1] = (uint)1000;
args[2] = (uint)mesh.GetIndexStart(0);
args[3] = (uint)mesh.GetBaseVertex(0);
args[4] = 0;

と書くことができます。
そして、位置情報を与えたいので

private ComputeBuffer positionBuffer;
private List<Matrix4x4> instanceTransforms = new List<Matrix4x4>();

foreach (GameObject obj in gameobjects)
{
    instanceTransforms.Clear();
    obj.transform.position -= (obj.transform.position - new Vector3(0, 0, 0)).normalized * speed;
    instanceTransforms.Add(Matrix4x4.TRS(obj.transform.position, Quaternion.identity, new Vector3(1,1,1)));
}
positionBuffer = new ComputeBuffer(1000, 16 * sizeof(float));
positionBuffer.SetData(instanceTransforms.ToArray());

と書き、bufferを設定します。
それでマテリアルに設定しシェダーに送ります。

material.SetBuffer("_InstanceTransforms", positionBuffer);

そしたら、

Graphics.DrawMeshInstancedIndirect(mesh, 0, material, new Bounds(Vector3.zero, new Vector3(200, 200, 200)), argsBuffer);

最終的に描画処理を書きます。

シェダー

先にこちらを読んでください。
次に、シェダーを作ります。

Shader "Custom/IndirectShader"
{
    Properties
    {
        _BaseColor ("Base Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
        Pass
        {
            HLSLPROGRAM
    
            ENDHLSL
        }
    }
}

これを基本として、

#pragma prefer_hlslcc gles
#pragma exclude_renderers d3d11_9x
#pragma multi_compile _ DOTS_INSTANCING_ON

#pragma vertex vert
#pragma fragment frag


#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"

を書きましょう。

StructuredBuffer<float4x4> _InstanceTransforms;

と書き、受け取るバッファーを定義します。

struct Attributes
{
    float4 positionOS : POSITION;
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID 
};

struct Varyings
{
    float4 positionCS : SV_POSITION;
    UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
};

先ほどのGPUInstancingですが、インスタンシングIDと言うものが必要であり、UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_IDというものも必要のようです。

GPUInstancingのCBUFFERというものがあり、GPU側のバッファーに移動させることができるようです。

UnityPerMaterialと言うものを使用すれば、シェダーと互換性が保たれるらしいです。
そのため

CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
    float4 _BaseColor;
CBUFFER_END

のように書きCBUFFER_STARTの中にPropertiesの値を書けばSRPと互換が保たれます。

Varyings vert (Attributes input,uint instanceID :SV_InstanceID)
{
    Varyings output;
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
    UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input,output);
    float4x4 instanceTransform = _InstanceTransforms[instanceID];
    output.positionCS = TransformObjectToHClip(mul(instanceTransform, float4(input.positionOS.xyz, 1.0)).xyz);
    return output;
}

これで、頂点を決定します。instanceIDは、そのままインスタンスの番号ですね。

half4 frag (Varyings input) : SV_Target
{
    return _BaseColor;
}

あとはシンプルにUnlit
そして、

マテリアルのEnable GPU Instacingをオンにします。

vkCmdDrawIndexedIndirectが実行されているのがわかります。

しかし、まだ重たいです。

先ほどのレンダリングの処理は少なくなっていますが、圧倒的にスクリプトが重たいです。
そのため、

private void FixedUpdate()
{
    int i = 0;
    foreach (GameObject obj in gameobjects)
    {
        obj.transform.position -= (obj.transform.position - new Vector3(0, 0, 0)).normalized * speed;
        instanceTransforms.Add(Matrix4x4.TRS(obj.transform.position, Quaternion.identity, new Vector3(1,1,1)));
    }
}

この処理をGPUにやらせます。

instanceTransforms.Clear();
foreach (GameObject obj in gameobjects)
{
    instanceTransforms.Add(Matrix4x4.TRS(obj.transform.position, Quaternion.identity, new Vector3(1, 1, 1)));
}
positionBuffer = new ComputeBuffer(count, 16 * sizeof(float));
positionBuffer.SetData(instanceTransforms.ToArray());
material.SetBuffer("_InstanceTransforms", positionBuffer);

このコードをStartにもっていきます。
そしたらこちらを

obj.transform.position -= (obj.transform.position - new Vector3(0, 0, 0)).normalized * speed;

シェダーの方で書きます。

output.positionCS = TransformObjectToHClip(mul(instanceTransform, float4(input.positionOS.xyz, 1.0)).xyz);

ここで、instanceTransformとfloat4(input.positionOS.xyz, 1.0)を補完しようとすると、ややこしいことになります。
hlslのlerpは、float4x4には対応しません。なので、float4x4のそれぞれのcolumを補完しないといけません。
そのため、ここでは、instanceTransformに小数点をかければ、補完と似たような動作ができるのを使います。
バッファーにdistanceを用意します。

StructuredBuffer<float> _distance;

output.positionCS = TransformObjectToHClip(mul(instanceTransform*_distance[0], float4(input.positionOS.xyz, 1.0)).xyz);

global

private ComputeBuffer distance;
float distance_v;

start

distance = new ComputeBuffer(1, sizeof(float), ComputeBufferType.IndirectArguments);

fixedupdate

distance.SetData(new float[] { distance_v });
material.SetBuffer("_distance", distance);
distance_v -= 0.001f;

そしたら、驚き、120FPS出るようになりました。

100000個に変更しても40FPS出るので速度が倍になった感じですね。
ということで、パフォーマンスを低レイヤーで修正する例でした