Unity《Hi Shader》笔记-Chapter 6-Unity渲染管线介绍 ...

unityloverz · 发表于 2022-10-5 13:42

课程链接：https://learn.u3d.cn/tutorial/hi-shader

Unity渲染管线

Unity的渲染管线大致可分2大类，内置渲染管线 Built-in 以及可编程渲染管线SRP，之前的内容所接触到的全都是内置的渲染管线。
Built-in 内置渲染管线

built-in管线的渲染流程实现，全部都是写在引擎源码里的（c++）。而大部分开发者是不会去修改源码的（也无法得到源码），那这基本上算是不能改动，所以过去的渲染管线对开发者来说，是很难进行定制开发的。内置渲染管线在一个管线里面支持了所有的二十多个平台，导致代码越来越臃肿，很难使性能和效果做到最好。
Scriptable Render Pipeline 可编程渲染管线

为了解决原本的内置渲染管线不够灵活的这一问题，Unity在2018之后提供了新的渲染系统 - SRP，全称就是Scriptable Render Pipeline。
它可以在Unity里通过C#脚本调用一系列的API配置和执行渲染命令，来实现一套自定义的渲染流程，你可以根据自己的需求来调整流程或者修改功能。相当于就是帮我们在复杂的底层图形API基础之上，封装了一套通俗易懂的C#API，本质上最后调用的还是底层的图形API。所谓的图形API就是我们之前提到的像如OpenGL、Direct3D这类的底层渲染API层。
URP & HDRP

URP & HDRP

为了解决这一问题，Unity给我们提供了两个可以直接上路的解决方案 URP 和 HDRP。他们都是在SRP的API基础之上构建的渲染管线解决方案，可以直接开始使用，或者在其基础上进一步进行定制。
其中 URP 全称是Universal Render Pipeline 通用渲染管线，早期被称为LWRP Lightweight RP 也就是轻量级渲染管线, 在2019.3开始改名为URP，它涵盖了范围广泛的不同平台，是针对跨平台开发而构建的，性能和画质都要比内置管线好，另外还可以进行自定义，实现不同风格的渲染，这也是目前最推荐大家使用的渲染管线。
而HDRP（High-Definition Render Pipeline）高清渲染管线，则是针对高端设备下的高真实感图形和渲染，如 PC、Xbox 和 PlayStation 等高端硬件。
我们可以在Unity的官方文档看到两个渲染管线之间的详细对比，如它们所支持的平台、光照、相机相关的信息。

Render pipeline feature comparison

Built-in 升级HDRP

在Window下打开Package Manager，选择Unity Registry：

Unity Registry

找到HDRP Package，点击安装：

HDRP Package

然后打开Window>Rendering>HDRP Wizard窗口：

HDRP Wizard

点击Fix All，Unity则会自动修复HDRP相关的Error：

Fix All

修复完成后会弹出一个框，选择Create One，创建HDRP Asset资源：

创建HDRP Asset资源

现在场景中的材质依然是101品红色，这是因为Shader还是用的内置渲染管线的Shader

材质错误

这里点击HDRP Wizard窗口下面这栏的第一个按钮，将项目中的所有不兼容材质转换为 HDRP 材质：

转换为 HDRP 材质

转换完成后，将Sky Fog Volume添加到场景里用来设置环境照明：

Sky Fog Volume

打开Window > Rendering > Lighting，选择刚刚Volume的配置文件：

Lighting

Built-in 升级URP

前面和HDRP类似，在Window下打开Package Manager，选择Unity Registry，找到URP Package，点击安装。

URP Package

在Assets目录下点击Create>Rendering>URP Asset

URP Asset

点击Editor>Project Settings>Graphics>Scriptable Render Pipeline Settings，选择刚刚创建好的URP Asset：

Scriptable Render Pipeline Settings

弹出一个对话框，点击Continue：

Continue

设置完成后场景中的材质变成了我们之前所说的101色，同样是因为材质还是built-in中的材质，接下来在Window>Rendering>Render Pipeline Converter 打开转换器

Render Pipeline Converter

选择Built-in to URP，然后选择要转换的内容：

Built-in to URP

勾选完成之后点击左下角按钮进行转换初始化设置

初始化设置

初始化完成之后点击右下角按钮进行资产转换

进行资产转换

细心的小伙伴可能发现之前做的轮廓线不见了，通过官方的文档 URP ShaderLab Pass 标签 | Universal RP | 12.1.1 (unity3d.com) 可以看到，由于在URP里新增了特定的Pass tag，需要给Pass添加特定的Tag LightMode才可以进行多pass渲染。但其实URP 本身的设计思想并不鼓励在shader里写多pass，而是利用 Render feature 实现各种功能。
既然轮廓线只用到了两个pass，这里偷懒一下，简单的给pass加一下tag。
正常的渲染就用UniversalForward即可：
Pass
{
Tags
{
         &#34;LightMode&#34; = &#34;UniversalForward&#34;
}
}如描边这种需要在渲染对象时绘制额外的 Pass，这里就可以选择SRPDefaultUnlit：
Pass
{
Tags
{
         &#34;LightMode&#34; = &#34;SRPDefaultUnlit&#34;
}
}简单URP水面效果

URP除了对管线的升级外，ShaderLab也从原来的CG升级到了HLSL，虽说有向前兼容，原来的CG也不是不能用，但在升级管线之后，Unity SRP 使用的都是HLSL 语言，继续使用CG容易出现许多不知所以的问题。而且URP在ShaderLibrary里面还提供了许多好用的API库：

URP在ShaderLibrary里面提供了许多好用的API库

这里通过简单的水面效果来熟悉一下新的HLSL，其实它与之前的CG大体上还是差不多的，首先新建一个Unlit Shader，把CGPROGRAM替换成HLSLPROGRAM，下面的End也记得换一下

HLSLPROGRAM

把渲染管线标记为URP，由于是水面效果，水是透明的，所以渲染类型也要改成透明，同样把它的渲染队列也标注为透明，最后给它加个透明度混合即可

透明度混合

通常来说水深不同水面的颜色也就不同，因为水分子会吸收通过它的  光的能量，所以这里给它添加两个属性，一个深水色，一个浅水色：
_ShallowWater (&#34;shallowColor&#34;, Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
_DeepWater (&#34;DeepColor&#34;, Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)如何得知水的深浅呢？这里则需要通过拿到场景的深度信息来计算水面的深度，在以往这是一个比较麻烦的步骤，而现在Unity给我们提供了许多好用的函数库，其中有一个就是深度相关的，这里我们直接给它include进来，把之前的CG库替换掉
#include &#34;Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/DeclareDepthTexture.hlsl&#34;由于fixed精度过于低，所以hlsl干脆给它丢掉了，这里修改为half，当然想要更高的精度也可以使用float：

精度错误

函数报错是因为更新了核心库，所以相关的API也变了

函数报错

打开ShaderLibary里的核心库，搜索关键字，发现所有的顶点位置信息都合并到了这一个结构体里

ShaderLibary里的核心库

顶点信息结构体

声明并且通过get给它初始化一下，这样就可以得到顶点数据，把之前报错的API删掉：
VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(v.positionOS);深度纹理是全屏纹理，它和屏幕的尺寸相同。而我们希望在当前像素相同的位置对深度进行采样。所以，这里需要要把顶点在屏幕空间位置算好：
v2f vert(a2v v)
{
v2f o;
VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(v.positionOS);
o.positionCS = positionInputs.positionCS;
o.screenPosition = ComputeScreenPos(positionInputs.positionCS);
return o;
}通过引入的库函数来获取屏幕深度，然后把这个深度转换到视图空间：
half4 frag(v2f i) : SV_Target
{
// 通过深度纹理的采样计算屏幕深度
float sceneRawDepth = SampleSceneDepth(i.screenPosition.xy / i.screenPosition.w);
// 深度纹理的采样结果转换到视图空间下的深度值
float sceneEyeDepth = LinearEyeDepth(sceneRawDepth, _ZBufferParams);
return col;
}由于关心的是这个深度值相对于水面有多深，所以需要把视图深度,减去模型顶点的深度，得到最终水的深度，然后把刚刚的  深浅水颜色根据水的深度做个lerp：
// 最终得到水的深度
float waterDepth = sceneEyeDepth - i.screenPosition.w;
// 拿到水的颜色
float3 waterColor = lerp(_ShallowWater, _DeepWater, waterDepth);为了使水产生流动感，这里通过noise给它做个简单的漂浮扰动效果，为了让它有流动效果所以给它加个时间和速度进行采样：
float surfaceNoiseSample = tex2D(_SurfaceNoise, i.noiseUV + _Time.y * _MoveSpeed * 0.1).r;根据深度加一圈浮沫，和刚刚的波动混合一下，最后把水的颜色和浮沫的颜色叠加一下，把透明度公开出来：
// 浮沫
float foam = saturate(waterDepth / _FoamDistance);
float surfaceNoise = smoothstep(0, foam, surfaceNoiseSample) ;
// 混合水面透明度
float4 col = float4(waterColor + surfaceNoise * _FoamColor, _WaterAlpha) ;
return col;完整代码

Shader &#34;URP/Water&#34;
{
Properties
{
      _ShallowWater (&#34;shallowColor&#34;, Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
      _DeepWater (&#34;DeepColor&#34;, Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
      _WaterAlpha(&#34;WaterAlpha&#34;,Range(0,1)) = 0.5

      _SurfaceNoise(&#34;Surface Noise&#34;, 2D) = &#34;white&#34; {}
      _MoveSpeed(&#34;MoveSpeed&#34;,Range(0,1)) = 0.5

      _FoamDistance(&#34;Foam Distance&#34;,Range(0,10)) = 0.4
      _FoamColor(&#34;FoamColor&#34;, Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
}
SubShader
{
      Tags
      {
         &#34;RenderPipeline&#34;=&#34;UniversalPipeline&#34;
         &#34;RenderType&#34;=&#34;Transparent&#34;
         &#34;Queue&#34;=&#34;Transparent&#34;
      }
      Pass
      {
         Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

         HLSLPROGRAM
         #pragma vertex vert
         #pragma fragment frag

         #include &#34;Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/DeclareDepthTexture.hlsl&#34;

         float4 _ShallowWater;
         float4 _DeepWater;
         float _WaterAlpha;

         sampler2D _SurfaceNoise;
         float4 _SurfaceNoise_ST;
         float _MoveSpeed;

         float _FoamDistance;
         float4 _FoamColor;

         // 顶点着色器的输入
         struct a2v
         {
            float3 positionOS : POSITION;
            float4 uv : TEXCOORD0;
         };

         // 顶点着色器的输出
         struct v2f
         {
            float4 positionCS : SV_POSITION;
            float4 screenPosition : TEXCOORD0;
            float2 noiseUV : TEXCOORD1;
            float2 distortUV : TEXCOORD2;
         };

         v2f vert(a2v v)
         {
            v2f o;
            VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(v.positionOS);
            o.positionCS = positionInputs.positionCS;
            o.noiseUV = TRANSFORM_TEX(v.uv, _SurfaceNoise);
            o.screenPosition = ComputeScreenPos(positionInputs.positionCS);
            return o;
         }

         half4 frag(v2f i) : SV_Target
         {
            // 通过深度纹理的采样计算屏幕深度
            float sceneRawDepth = SampleSceneDepth(i.screenPosition.xy / i.screenPosition.w);
            // 深度纹理的采样结果转换到视图空间下的深度值
            float sceneEyeDepth = LinearEyeDepth(sceneRawDepth, _ZBufferParams);
            // 因为关心的是这个深度值相对于我们的水面有多深，所以需要把视图深度,减去模型顶点的深度
            // 最终得到水的深度
            float waterDepth = sceneEyeDepth - i.screenPosition.w;
            // 拿到水的颜色
            float3 waterColor = lerp(_ShallowWater, _DeepWater, waterDepth);

            float surfaceNoiseSample = tex2D(_SurfaceNoise, i.noiseUV + _Time.y * _MoveSpeed * 0.1).r;

            // 浮沫
            float foam = saturate(waterDepth / _FoamDistance);
            float surfaceNoise = smoothstep(0, foam, surfaceNoiseSample) ;
            // 混合水面透明度
            float4 col = float4(waterColor + surfaceNoise * _FoamColor, _WaterAlpha) ;
            return col;
         }
         ENDHLSL
      }
}
}

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