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。