Unity渲染管线综述

mastertravels77

基础概念

图形API

• OpenGL与DirectX：用于渲染2D、3D矢量图形的API。
  
• 简易流水线：重复执行一个任务，多个步骤执行完，才重新开始任务。
  
• 并行流水线：重复执行一个任务，前一个步骤执行完，仍会继续进行。
  
• 渲染空间：Gamma空间或线性空间。
  

语言类

• GLSL：OpenGL的跨平台（没有着色器编译器）的着色语言。
  
• HLSL：DirectX的着色语言。
  
• CG：NVIDIA的跨平台（编译成中间语言）的着色语言。
  
• Shader：GPU流水线上的可编程环节。告诉计算机如何绘制画面的程序。
  
• ShaderLab：Unity提供的编写Unity Shader的一种说明性语言。
  
• 语义：映射参数的变量名。（如： float4 position : SV_POSTION）
  

信息类

• 材质：色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等。
  
• 纹理（贴图、映射）：根据Kershaw的术语，通过将投影方程运用于空间中的点 ，从而得到一组称为参数空间值的关于纹理的数值。
  
• 渲染图元：渲染所需的几何信息。
  
• 渲染状态：定义场景网格怎样被渲染的信息（Blend，Stencil，DepthTest等）。
  
• 片元：很多状态信息的数据集合，用于计算每个像素的最终颜色。
  

计算类

• 着色：根据材质属性、光源信息，使用一个等式（光照模型）去计算：沿某个观察方向的出射度的过程。
  
• Draw Call：每次CPU准备数据并通知GPU的过程。消耗的是CPU，不是GPU。
  
• 插值：根据已知数据点，来预测未知数据点值的方法。
  

<hr/>图形渲染管线

《Real-Time Rendering 3rd》 提炼总结 - 图形渲染管线 - 毛星云的文章 - 知乎
GPU渲染管线

《Real-Time Rendering 3rd》 提炼总结 - GPU渲染管线与可编程着色器 - 毛星云的文章 - 知乎
Unity - BuildIn渲染管线

• 【教程】技术美术入门：渲染管线概述_哔哩哔哩_bilibili，以下图片均为此节截图，讲得非常好。
  

1.buildin渲染流程



2.1应用程序阶段：剔除、排序



2.2.1模型信息



2.2应用程序阶段：打包数据



3. GPU渲染管线流程



3.1.1顶点shader：综述



3.1.2顶点shader：拍照过程



3.2硬件操作阶段



3.3.1片元shader：综述



3.3.2片元shader：纹理技术



3.3.3片元shader：光照技术框架



3.4.1输出合并



3.4.2输出合并：深度测试



3.4.3输出合并：提前深度测试：优化



3.4.4输出合并：混合



<hr/>Scriptable Renderer Pipeline(可编程渲染管线)

在Unity通过C#脚本调用一系列API配置和执行渲染命令的方式来实现渲染流程， SRP将这些命令传递给Unity底层图形体系结构，然后再将指令发送给图形API。
为什么要用这个东西？

• SRP的性能比Builtin内置管线好。解决渲染性能问题（URP:PASS绘制，最大程度的减少SetPassCall；内置很容易打断合批）。
  
• SRP提供源码，容易控制，比较好扩展，让美术效果可定制（可控制），让渲染性能更容易优化。
  
• 自带支持PBR渲染管线（也支持非PBR内容）。
  
• 解决了内置渲染管线渲染层级问题（内置渲染管线只有修改Renderqueue，改了通常也不稳定）。
  
• 减小Blit操作（Blit会进行一次全屏拷贝，相当的消耗性能和带宽），URP可以手动调用Blit。
  
• 便于特效实现（扭曲一般只对不透明物体生效。火焰使用半透明，管线定制可以覆盖这些效果）。
  

着色器变体

• Shader不建议使用if（非常高的消耗），那我们需要if怎么办？Keywords（宏）。
  
• 每一种宏组合就是这个shader的一个变体
  
• 官方文档
  
• Shader变体收集与打包
  
• 打包中裁剪Shader变体
  

SRP Batcher

• SRP Batcher工作原理探究 - Xshadow的文章 - 知乎
  

若要适配SRP Batcher，得满足以下几点：
1.渲染的对象要是Mesh或Skinned Mesh，不能是粒子
2.Shader的写法要适配。uniform的变量要放在UnityPerDraw或者UnityPerMaterial的CBUFFER中
3.不能使用MaterialPropertyBlocks
4.若有多pass，则必须每个Pass的CBUFFER_START中的内容一致

图片来源《黑暗之潮》技术分享

<hr/>URP渲染管线

推荐文章

• URP核心代码学习
  
• [Universal RP]Unity通用渲染管线学习 - 徒花的文章 - 知乎
  

切换到URP渲染管线

选择SRP

• HDRP目前不支持移动平台
  
• URP支持移动平台也支持PC
  
• URP不支持表面着色器（如果是表面着色器写的，无法转成URP）
  

切换管线


设置质量参数


BuildIn批量切换成URP - Shader


定制URP的内置管线
使用RenderObject：通过实现好的RenderFeature和RenderPass，可以在不用任何代码的情况下进行定制。



《黑暗之潮》URP最终定制的渲染管线

使用RenderObject有什么用？

• 解决半透明物体渲染的不确定性。
  

在透明物体之前去渲染地面的layer（单独使用一个RenderObject）。

• 透明物体实现扭曲的效果。
  

将复制ColorTexture的时机挪到透明物体之后，用单独的Pass去渲染需要扭曲的特效。
变化

与内置渲染管线功能对比

• 相机变化
  

• Shader变化
  

• 参数介绍
  

怎么把BuildInShader转成URPShader？

ASE、ShaderGraph连的，可以直接切换，但是要调对参数。
要改代码的话，先执行这2步：

• 先用Edit/RenderPipeLine/Universal Render Pipleline/Upgrade试试
  
• 直接切换材质球的Shader为Lit
  

不得行，需要改Shader如下，自行尝试：

• CG关键字改成HLSL关键字（虽然可以用CG，但是要用Unity的HLSL库）
  
• FallBack改成：FallBack "Hidden/Universal Render Pipeline/FallbackError"
  
• SubShader：新增Tags{"RenderPipeline" = "UniversalPipeline"}
  
• Pass：Tags { "LightMode" = "ForwardBase" } 要改成 { "LightMode" = "UniversalForward" }（或其他更多模式）
  
• 光照库替换
  

#include "Lighting.HLSLinc"
替换为

Tags{"LightMode" = "UniversalForward"}:
#include "LitInput.hlsl"
#include "LitForwardPass.hlsl"

Tags{"LightMode" = "ShadowCaster"}:
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitInput.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/ShadowCasterPass.hlsl"

• 查阅
  

内置结构体、函数
Packages/Universal RP/ShaderLibrary/Input
Packages/Universal RP/ShaderLibrary/Core

内置函数、矩阵
Packages/Universal RP/ShaderLibrary/UnityInput关于UI在Gamma空间工作，但使用了线性空间

3D美术需要在基于PBR的高清的线性空间下工作，但常规的UI美术平时习惯于在Gamma空间工作。
UI的美术不太适应线性空间的流程，也不太适用线性空间下的颜色在他们的自产工具里进行产出。（PS - Gamma转线性后，颜色差别很大）
但游戏内需要使用线性空间下的流程，所以为了解决冲突，进行了分辨率分离：
使用单独的场景摄像机在线性空间下绘制，然后与UI相机进行blend，最后输出到屏幕上。场景空间的相机最后需要进行Gamma校正，而UI相机本身就是Gamma空间，所以不需要校正。

如何写一个同时兼容Build-in和URP的shader？（补全中）

UnityShader编程指南

基础渲染系列（二）——着色器（必读）
编写原则和经验

• 不建议在编写Shader时，使用分支或者循环语句，会降低GPU并行处理操作
  
• 从性能考虑，尽量把计算放在顶点着色器中去执行
  
• ShaderLab中函数和变量要先声明再调用
  
• 避免重复绘制，尽可能设置渲染队列为不透明物体的渲染队列
  
• 在Unity中，渲染队列小于2500（不透明）的对象，从前往后绘制；其他的队列的物体，从后往前绘制。
  

表面着色器

• Unity自创的着色器（Surf），顶点/片元着色器的子集
  
• 自动实现光照模型，为我们处理很多光照细节
  
• 代码量少，不需要Pass代码段。但渲染代价稍高(它在后面仍会转换成顶点/片元着色器)
  
• 适合：光照数多
  

顶点/片元着色器

• 代码量多，自己定义每个Pass需要使用的Shader，更灵活地控制渲染细节
  
• 适合：光照数少、有很多自定义渲染效果
  

固定着色器
适配很旧的设备（iphone3）时才会用。
Cg/HLSL

内置变量
【变换矩阵】

模型空间 = 对象空间
投影空间 = 裁剪空间
相机空间 = 观察空间
M：模型矩阵
V：相机矩阵
P：投影矩阵

UNITY_MATRIX_MVP：模型空间->投影空间　　

UNITY_MATRIX_MV：模型空间->相机空间

UNITY_MATRIX_V：世界空间->相机空间　　   

UNITY_MATRIX_P：相机空间->投影空间　　   

UNITY_MATRIX_VP：世界空间->投影空间　　

_Object2World：模型空间->世界空间

_World2Object：世界空间->模型空间

UNITY_MATRIX_T_MV：UNITY_MATRIX_MV的转置矩阵

UNITY_MATRIX_IT_MV：UNITY_MATRIX_MV的逆转置矩阵

//unity5.6以前的写法
o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);   

//unity5.6以后的写法
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);基础模板
Shader "Custom/MyShader" {//定义Shader的名字和位置
    Properties {//声明一些能在材质面板中调整的属性
        Name ("displayname", PropertyType) = value
    }
    SubShader {
        [Tags] Tags{"name"="value"}
        [RenderSetup] //应用于所有Pass
       
        Pass{//每个Pass定义一次完整渲染流程（Pass过多会造成渲染性能低下）
        [Tags] Tags{"name"="value"}
        [RenderSetup] //应用于此Pass
        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
                struct a2v{
                        float4 vertex : POSITION;
                        float3 noraml : NORMAL;
                }
                struct v2f{
                        float4 pos : SV_POSITION;
                        float3 color : COLOR;
                }
                v2f vert(a2v a){
                         v2f v;
                         //code
                         return v;
                }
                fixed4 frag(v2f v) : SV_Target{
                         fixed4 f;
                         //code
                         return f;
                }
        ENDCG
        }
        Fallback "Diffuse" //以上都无法应用时，使用此Shader 或者 关闭
    }
  }基础类型
Shader "Custom/MyShader" {
    Properties {
                //属性类型
                _Int("Int",Int) = 2
                _Float("Float",Float) = 1.5
                _Range("Range",Range(0.0,5.0)) = 3.0
               
                _Color("Color",Color) = (1,1,1,1)
                _Vector("Vector",Vector) = (2,3,6,1)
               
                _2D("2D",2D) = ""{}//花括号原本用来指定纹理属性，但在Unity5.0后被移除了
                _Cube("Cube",Cube) = "white"{}
                _3D("3D",3D) = "black"{}
    }
    SubShader {
                //标签类型
                Tags{"Queue"="Transparent+1"} //指定该物体属于哪一个渲染队列
                Tags{"RenderType"="Opaque"} //对着色器进行分类
                Tags("DisableBatching"="True"} //批处理
                Tags {"ForceNoShadowCasting"="True"} //投射阴影
                Tags{"IgnoreProjector"="True"} //半透明
                Tags{"CanUseSpriteAtlas"="False"} //Sprite图集
                Tags{"PreviewType"="Plane"} //预览类型
               
                //状态类型
                Cull Back / Front / Off 剔除模式
                ZTest Less Greater|LEqual| GEqual|Equal |NotEqual | Always 设置深度测试时使用的函数
                ZWrite On|Off 开启/关闭深度写入
                Blend Srcactor DstFactor 开启并设置混合模式
        
                Pass{
                //状态类型 同上
                //标签类型
                Tags{"LightMode"="ForwardBase"} //定义该Pass在Unity的渲染流水线中的角色
                Tags {"RequireOptions"="Soft Vegetation"} //满足某些条件时才渲染该Pass
                }
        }CGPROGRAM类型
Pass {
                CGPROGRAM
                //Unity内置文件
                UnityCG.cginc 包含了最常使用的帮助函数、宏和结构体等
                UnityShaderVariables.cginc  编译UnityShader时，会自动包含。包含了许多内置的全局变量
                Lighting.cginc 包含了各种内置的光照模型；编写的是Surface Shader的话，会自动包含进来
                HLSLSupport.cginc 编译UnityShader时，会被自动包含。声明了很多用于跨平台编译的宏和定义
               
                //ShaderLal属性类型 与 CG变量类型 匹配关系
                Color,Vector - float4,half4,fixed4
                Range,Float - float,half,fixed
                2D - sampler2D
                Cube - samplerCube
                3D - sampler3D
               
                //3种精度
                float 最高精度，桌面GPU上 float = half = fixed
                half 中等精度，手机GPU上 half = fixed
                fixed 最低精度，尽量使用此类型（优化）
               
                //从应用阶段传递模型数据给顶点着色器时，Unity支持的常用语义
                POSITION 模型空间中的顶点位置，通常是float4类型
                NORMAL 顶点法线，通常是float3类型
                TANGENT 顶点切线，通常是float4类型
                TEXCOORDn 该顶点的纹理坐标，n=0表示第一组纹理坐标，依此类推。通常是float2或float4类型
                COLOR 顶点颜色，通常是fixed4或float4类型
                //其余的全部用half
               
                //从顶点着色器传递数据给片元着色器时，Unity使用的常用语义
                SV_POSITION 裁剪空间中的顶点坐标，结构体中必须包含一个用该语义修饰的变量
                COLOR0 通常用于输出第一组顶点颜色，但不是必需的
                COLOR1 通常用于输出第二组顶点颜色，但不是必需的
                TEXCOORD0~TEXCOORD7 通常用于输出纹理坐标，但不是必需的
               
                //片元着色器输出时Unity支持的常用语义
                SV_Target 输出值将会存储到渲染目标（render target）中
                ENDCG
        }<hr/>附录

• 新版Unity shader库为什么用HLSL，而不用CG了？ - 文礼的回答 - 知乎
  

调试

• 在CGPROGRAM或HLSLPROGRAM内加入
  
• pragma enable_d3d11_debug_symbols