Unity 可编程渲染管线

可编程渲染管线 Scriptable Render Pipeline

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什么是可编程渲染管线SRP

Scriptable Render Pipeline（SRP），提供一组特性，让你可以完全的控制Unity的渲染流程，并提供工具创建流行的，真实的图形。

SRP允许通过编写C#代码来控制每帧的渲染。不像内建的渲染管线是一个渲染的黑盒子，SRP让你可以看到和精确控制渲染过程。

Unity也提供了２种预建的SRP，可以在项目种作为自定义SRP的基础：

• Universal Render Pipeline 提供了从手机平台到高端主机和PC平台的图形渲染
• High Definition Render Pipeline 利用PBR技术，为兼容Compute Shader的显卡平台提供逼真的图形渲染。

与其从头开始实现自己的SRP，建议基于URP或HDRP根据自己的需求进行修改。

什么是SRP Core

SRP Core 是一组API，将内部渲染和配置暴漏给你，这可以让你精确控制渲染如何工作。

SRP API 提供了一组与一些Unity结构相似的接口：

• Lights
• Materials
• Cameras
• Command Buffers

SRP 改变的是与Unity交互的方式。基于效率的考虑，当你实现自己的SRP时，需要一系列的Renderer，而不是单独实现某个独立的组件。

SRP入门 Getting Started

概述

从上层来看，SRP可以被分成２部分，SRP Asset 和 SRP Instance。当实现自己的SRP时，需要实现这两部分。

SRP Asset

SRP Asset 是用来为管线存储需要的配置数据，包括：

• Game Object 是否可以投射阴影
• 使用哪个级别的Shader Quality
• 阴影距离
• 默认的材质配置

SRP Instance

SRP Instance 是真正执行渲染的类。当Unity发现使用了SRP，它会检查当前的SRP Asset 并请求它提供渲染实例，而SRP Asset 必须要返回一个包含 Render 函数的实例。通常该Instance也要将SRP Asset的一些配置缓存下来方便使用。

Instance 缓存了管线的配置，在Render方法中，Unity可以执行下列行为：

• 清理帧缓存 Clearing the framebuffer
• 执行场景裁剪
• 渲染一组游戏对象
• 执行framebuffer之间的拷贝
• 渲染阴影
• 执行后效

SRP要解决的问题

渲染管线是一系列的步骤来将对象绘制到屏幕上，而SRP则是将这些步骤交给你可以编程进行控制。

问题

Unity提供了一些内建的管线使用。包括适用于移动平台和VR的前向渲染，以及适用于高端的延迟着色。这些解决方案像个黑盒，方便的同时有以下问题：

• 它们只能按照Unity设计的来工作
• 它们是通用的，意味着它们要做所有的事情，同时意味着所有事情都不是最优的
• 它们的可配置度很低，是黑盒工具，仅可以在预定义的点注入渲染指令
• 扩展和修改非常容易导致错误，因为内部一点小改动，都会导致对外部的很大影响
• Unity对一些BUG难以进行修复，因为这些修复可能会导致现有项目无法工作

解决方案

SRP的推出就是为了解决上面的问题。将内建的渲染过程改为可以针对每个项目编程控制的。

SRP Asset

SRP Asset 包含了一组接口用来对渲染管线进行配置。当Unity第一次渲染时，会调用其 InternalCreatePipeline 方法创建渲染实例。

SRP实际上是一个 ScriptableObject，所以它是一个资源文件，可以进行版本控制。可以在Project窗口中创建SRP Asset，也可以通过脚本创建并通过AssetDatabase API进行保存。

在ProjectSettings>Graphics中设置启用自己的SRP Asset。

除了返回渲染实例和处理配置数据外，还可以通过SRP Asset提供一些辅助函数：

• 创建3D对象时的默认材质
• 创建2D对象时的默认材质
• 创建粒子时的默认材质
• 创建地形时的默认材质

这主要是为了让编辑器正确工作。如果希望在新的管线的编辑器像Unity的管线编辑器一样工作，则需要实现这些。

SRP Asset 例子

Asset 包含了一些渲染属性，以及返回一个渲染实例来渲染场景。如果设置改变，则Unity会销毁渲染实例，并创建新的，在下一帧进行渲染。

下面是一个SRP Asset 的例子。包含了SRC Instance 清除屏幕时用的颜色，以及在编辑器中创建SRC Asset的逻辑，创建完后可以在Graphics设置窗口中设置。

[ExecuteInEditMode]
public class BasicAssetPipe : RenderPipelineAsset
{
	public Color clearColor = Color.green;
	
#if UNITY_EDITOR
	[MenumItem("SRP-Demo/01 - Create Basic Asset Pipeline")]
	static void CreateBasicAssetPipeline()
	{
		var instance = ScriptableObject.CreateInstance<BasicAssetPipe>();
		UnityEditor.AssetDatabase.CreateAsset(instance, "Assets/BasicAssetPipe.asset");
	}
#endif
	// 返回渲染实例
	protected override IRenderPipeline InternalCreatePipeline()
	{
		return new BasicPipeInstance(clearColor);
	}
}

SRP Instance

SRP Asset 控制渲染配置，SRP Instance 则时渲染入口。当开发SRP时，需要实现该类，并在该类中实现所有的渲染逻辑。

最简单的，SRP Instance 只需要包含一个接口：Render。可以理解为这时空白的画板，可以在里面自由地用任何方式进行渲染。Render 函数有两个参数：

• ScriptableRenderContext 是一个指令缓存，可以推入渲染操作来执行。
• 一组渲染用的摄像机。

基础管线 A basic pipeline

前面的SRP Asset返回的Rendering Instance在下面实现：

public class BasicPipeInstance : RenderPipeline
{
	private Color m_ClearColor = Color.black;
	
	public BasicPipeInstance(Color clearColor)
	{
		m_ClearColor = clearColor;
	}
	
	public override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)
	{
		base.Render(context, cameras);
		
		// 将屏幕清理成配置的颜色
		var cmd = new CommandBuffer();
		cmd.ClearRenderTarget(true, true, m_ClearColor);
		context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
		cmd.Release();
		context.Submit();
	}
}

管线仅简单的用SRP Asset配置的颜色，清理屏幕。需要注意几点：

• SRP 使用Unity的CommandBuffer来执行许多操作（这里是ClearRenderTarget）。
• SRP 用传进来的context执行CommandBuffers。
• 最后，要调用context.Submit，来执行我们添加到context指令队列中的指令。

Render函数是我们进行渲染的地方，在这里我们要执行裁剪，过滤，改变renter target，绘制，等。

SRP Context

SRP渲染使用延迟执行的概念。我们建立了一个指令列表，并执行该列表。指令列表即Render参数传进来的ScriptableRenderContext对象context。

当指令添加到context队列中后，可以调用它的Submit来提交这些指令，这些指令会被组合成一个Command Buffer并执行。

ScriptableRenderContext的API可以参考：API documentation.

用SRP渲染 Rendering with SRP

裁剪 Culling

裁剪负责找出哪些需要被渲染到屏幕上。在Unity中，裁剪包括：

• Frustum Culling 视锥体裁剪。找出所有在摄像机近裁剪面和远裁剪面之间的对象。
• Occlusion Culling 遮挡剔除。找到被其它对象遮挡的对象，并将其排除出渲染对象列表。详细参考：Occlusion Culling.

Unity开始渲染后，第一件要做的事情就是要决定哪些对象需要被渲染，使用相关的摄像机进行裁剪。裁剪操作返回一个该摄像机需要渲染的对象和光源列表。SRP在之后的渲染中使用这些数据。

SRP提供了一些API用来进行裁剪，通常像下面：

ScriptableCullingParameters cullingParams;
// 从摄像机获取裁剪参数
if(!CullResults.GetCullingParameters(camera, stereoEnabled, out cullingParams))
    continue;
// 如果需要，可以修改裁剪参数
cullingParams.isOrthographic = true;
// 创建保存裁剪结果的结构体
CullResults cullResults = new CullResults();
// 执行裁剪
CullResults.Cull(ref cullingParams, context, ref culResults);
// 下面开始渲染
// render...

绘制 Drawing

SRP中，裁剪完成后，就可以将相关的游戏对象列表绘制到屏幕了。

可以有很多种方法进行渲染，因此在实现之前，要先决定绘制策略。这些策略包括：

• 要执行渲染的硬件
• 要达到的渲染效果
• 项目的类型

例如，移动端2D卷轴游戏和3D高端PC第一人称游戏是完全不同的渲染管线。下面是一些需要做出的选择的例子：

• HDR vs LDR 高动态范围光 vs 低动态范围光
• Linear vs Gamma 线性 vs 伽马 空间
• MSAA vs Post Processing anti-aliasing 多重屏幕抗锯齿 vs 后效抗锯齿
• Physically-based Materials vs Simple Materials 基于物理的材质 vs 简单材质
• Lighting vs No Lighting 是否有光照
• Lighting Technique 采用哪种光照技术
• Shadow Technique 采用哪种阴影技术

这些决策可以帮助我们在实现管线时决定应该有哪些限制。

下面的例子简单的渲染了一些不带光照，不透明的对象。

过滤：渲染队列和层 Filtering: Render Buckets and Layers

通常，每个Game Object都有特定的类型，不透明，半透明，次表面，等。Unity在渲染时将对象根据其类型，放入对应的队列来进行管理（根据对象的材质）。SRP渲染时，需要指定要渲染哪些队列。（原文是桶，感觉队列更容易理解）

除了队列，还可以用Unity的层Layer来进行过滤。

// 获取不透明过滤器对象
var opaqueRange = new FilterRenderersSettings();
// 设置不透明渲染队列范围
opaqueRange.renderQueueRange = new RenderQueueRange()
{
    min = 0,
    max = (int)UnityEngine.Rendering.RenderQueue.GeometryLast,
};
// 包括所有的层
opaqueRange.layerMask = ~0;

渲染设置 Draw Settings: How things should be drawn

通过裁剪和过滤确定了哪些对象将要被渲染，然后需要确定如何渲染它们。SRP提供了多种选项来配置对象如何进行渲染。配置渲染可以通过结构体 DrawRenderSettings。可以进行如下的配置：

• Sorting 排序，以什么样的顺序进行渲染，比如从前向后，或从后向前（基于摄像机距离）。
• Per-Renderer flags 哪些内建的设置需要传递给shader，包括像逐对象的光照探针，逐对象的光照贴图。
• Rendering flags SRP使用哪种算法合批，比如instancing或non-instancing。
• Shader Pass 当前的DrawCall使用哪个Shader Pass。

// 创建渲染设置
// 需要shader pass的名字
var drs = new DrawRendererSettings(myCamera, new ShaderPassName("Opaque"));
// 开启instancing
drs.flag = DrawRendererFlags.EnableInstancing;
// 指定为渲染传递光照探针和光照贴图
drs.rendererConfiguration = RendererConfiguration.PerObjectLightProbe | RendererConfiguration.PerObjectLightmaps;
// 按照不透明物体的渲染顺序排序
drs.sorting.flags = SortFlags.CommonOpaque;

绘制 Drawing

现在，我们有三样数据要交给DrawCall：

• Cull Results 裁剪结果
• Filtering rules 过滤规则
• Drawing rules 绘制规则

现在，我们可以进行DrawCall了。通过SRP Context的接口进行调用。在SRP中，不需要单独渲染一个Mesh，而是调用接口一次渲染一批Mesh：

// 绘制所有的renderers
context.DrawRenderers(cullResults.visibleRenderers, ref drs, opaqueRange);
// 提交渲染
context.Submit();

这回将对象渲染到当前的Render Target，也可以使用Command Buffer来切换Render Target。

XR应用SRP （Virtual Reality）

要在SRP中应用VR，开启VR并在PlayerSettings中选择VR SDK。此外，可以通过SRP提供的XRGraphicsConfig类来配置VR。现在，XRGraphicsConfig提供了XRSettings接口，将会扩展以适配各种XRSDK子系统。

摄像机组件 Camera Components

Free Camera

Free Camera组件提供了简单的自由摄像机实现。将该组件添加到摄像机后，可以使用键盘，鼠标，或手柄，在运行时控制位置和朝向。

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属性：

• Look Speed Controller 用手柄控制摄像机旋转的速度
• Look Speed Mouse 用鼠标控制摄像机旋转的速度
• Move Speed 摄像机移动速度
• Move Speed Increment 修改摄像机移动速度时的增量。当场景太大，当前的移动速度无法很快的遍历场景时有用。自动加速？？？
• Turbo 当按下”Fire1“按键时，移动速度会乘上该值

Camera Switcher

Camera Switcher 允许定义一个摄像机列表，并能在Debug运行时，进行切换。当需要设置不同的视角来进行剖析，而且可以方便的切换对比，而保证位置不变。

属性：

• Cameras 将挂有Camera组件的Game Object拖动来添加摄像机到列表中。Debug Window可以在这些摄像机列表中进行切换。