DMotion - 基于DOTS的动画框架和状态机

【博物纳新】专栏是UWA旨在为开发者推荐新颖、易用、有趣的开源项目，帮助大家在项目研发之余发现世界上的热门项目、前沿技术或者令人惊叹的视觉效果，并探索将其应用到自己项目的可行性。很多时候，我们并不知道自己想要什么，直到某一天我们遇到了它。

今天推荐的项目来自UWA开源库：

https://lab.uwa4d.com/Lab/62bbf82fa8103dabd0f87c8b

一、简介

自从Unity推出了DOTS（Data-Oriented Technology Stack，面向数据的技术堆栈）之后，关于其应用一直备受关注。虽然DOTS对性能的提升比较明显，但是由于其不算低的门槛，仍然让许多开发者难以上手。以动画为例，截至目前的Entities 1.0版本仍然没有官方的基于Entities的动画解决方案。本文介绍的插件DMotion就提供了基于DOTS的动画框架和状态机，可以帮助开发者更便捷地使用DOTS制作动画。

二、功能概览

DMotion的基础是另一个开源项目Latios-Framework的Kinemation部分。这个项目使用DOTS建立了一些常用模块的框架，包括物理、音频、动画等等，目前仍在频繁更新中，对于希望学习和使用DOTS的开发者也可以作为参考，链接如下：

https://lab.uwa4d.com/Lab/5dffdd368bab6aaf026a65c3

由于Latios-Framework使用了另一种动画压缩方案，即使用了插件Animation Compression Library，这个插件虽然理论上可以用于移动端，但是目前还没有进行相应的适配，因此DMotion目前只能在PC平台上使用。作者提到之后会考虑扩展到移动端上。

目前DMotion的主要功能如下：

Current Features (V0.3.4)：

- Fully Bursted Runtime

- State Machine Visual Editor

- Transitions: Boolean, Int, Enum And End Time

- Simple API For Playing Clips Through Code (See Samples)

- 1D Blend Tree

- Animation Events

- Root Motion (With Writegroup Support, If You Need To Override Default Behaviour)

- Object Attachment

- Support For Optimized And Non-Optimized Skeletons

- State Machine Visual Debugging

之后可能会更新的功能：

Planned Features：

- 2D Blend Tree (Cartesian/Freeform)

- State Machine Override (A.K.A Animator Override Controller)

- Substates

- IK Support

- Multiple Layers

- Skeleton Masks

三、使用

Latios-Framework最新的版本（目前为0.6.4）已经支持Entities 1.0，但是DMotion还只支持Entities 0.51版本，因此安装DMotion的Package之后需要安装Latios-Framework的旧版本，建议使用0.5.8版本。

DMotion这个插件的使用整体上是比较简单的，可视化程度高，作者提供了Sample和详细的指导，需要使用代码的地方都有例子可以参考。文档链接如下：

https://github.com/gamedev-pro/dmotion/wiki/1.1-Getting-Started:-The-Basics

这里只做一些简单的介绍，比如最简单地播放一个Animation Clip。

首先需要创建一个DMotion的Clip。

然后在Inspector界面中设置好要用到的Animation Clip。

再给需要播放动画的对象添加对应的组件，在组件中做一些设置，添加需要使用的Clip，就可以播放动画了。

点击Play即可播放动画。

动画状态机部分可视化程度很高，和Unity本身的动画状态机的使用方法很接近。

首先创建一个动画状态机。

创建一个新的状态。

添加对应的Animation Clip。

两个动画状态之间可以建立Transition。

Transition可以设置一些参数和条件。

这些内容都可以在文档中找到，因此不再赘述。

四、实现原理

DMotion是一个基于DOTS的框架，这里我们从播放动画的代码开始分析。

继承IConvertGameObjectToEntity是为了调用Convert函数把GameObject转化为Entity 。继承IRequestBlobAssets是为了调用RequestBlobAssets，把Animation Clip转化成DOTS支持的格式，这里使用了插件Latios-Framework中的Kinemation部分，最终会转化成一种BlobAsset，这是DOTS当中针对Streaming做了优化的二进制数据结构。

Convert函数的具体内容，把GameObject转化为Entity并添加对应的Component。

使用RequestBlobAssets把Animation Clip转化成BlobAsset的部分。在运行的时候，DMotion使用的代码都是使用Burst编译的。在System文件中的代码是运行时对Entities的Component进行处理的部分，也就是ECS中的“S”，可以看到这些代码都是使用Burst编译的，并且使用了Job System。

可见DMotion充分利用了DOTS系统，可以预测到其性能表现应该是比较优秀的。

五、性能

首先介绍一下DOTS为什么会比传统方式更快。Unity推出的DOTS主要包括三个方面，分别是ECS、Burst Complier和Job System。Entities是游戏中的事物，或者说是一些数据的集合。Components把与Entity相关的数据组织起来，Systems则是把Components的数据从当前状态转换为下一个状态的逻辑。下图展示了ECS的组织架构。

ECS架构在执行逻辑时，只会操作需要操作的数据。System在操作数据的时候只会收集它关心的Component数据，CPU运行时就会将这一整块内存装入高速缓存中，这样就减少了Cache Miss次数，增加了缓存命中率，整体上提高了程序效率。此外现代CPU中使用的SIMD技术与这种数据密集的架构相性极好，可以进一步提高性能。

ECS模式更加适合现代CPU架构，因为它可以做到高效处理数据，而不用把多余的数据字段存入宝贵的缓存从而导致多次Cache Miss。比如操作Unity对象的Position属性，会把GameObject所有相关数据都加入缓存，浪费了宝贵的缓存空间。而如果在ECS架构下，将只会把Position属性放入内存，节省了缓存空间，也一定程度上减少了Cache Miss。

这种数据结构很适合并行处理。Burst Complier是使用LLVM从IL/.NET字节码转换为高度优化的本机代码的编译器，与Job System一起生成多线程并行处理的代码，充分利用SIMD，多线程操作充分发挥ECS的优势。因此Unity的DOTS往往比传统方式速度更快。

由于DOTS本身的特性，DMotion的性能表现比Animator更为优秀。在文档中作者认为性能提升可以达到大约6倍左右，而我们的实际测试结果为大约快3倍左右。

测试环境：

平台：Windows 10 (10.0.19044) 64bit

Unity版本：2021.3.9f1c1

GPU：Intel(R) UHD Graphics 750/Direct3D 11.0

CPU：3.6ghz/11th Gen Intel(R) Core(TM) I7-11700K @ 3.60ghz

测试工具：UWA GOT Online

测试用例：

使用的Model如下，拥有5770个顶点和29个骨骼。

使用的动画是行走的动画，分别使用DMotion和Animator进行测试。

测试内容：

加载并播放了2500个带有动画的模型，测试帧率。

测试结果如下：

DMotion：

平均帧率为15.33帧

Animator：

平均帧率为5.5帧

可见在性能上DMotion相比Animator有一定提升，可惜的是目前还不适配移动平台。感兴趣的同学可以关注这个项目的更新情况，也可以尝试在其基础上做进一步的改进。