unity生成预制体_[Universal RP]Unity通用渲染管线学习

Unity正式加入了Universal RP(通用渲染管线)，这里会记录一些官方文档，并分析管线的代码，文中使用Unity2019.3.0b1，Universal RP 7.0.1。

可编程渲染管线

为了解决仅有一个默认渲染管线，造成的可配置型、可发现性、灵活性等问题。Unity在管线设计的概念上做了转移，决定在C++端保留一个非常小的渲染内核，让C#端可以通过API暴露出更多的选择性，也就是说，Unity会提供一系列的C# API以及内置渲染管线的C#实现；这样一来，一方面可以保证C++端的代码都能严格通过各种白盒测试，另一方面C#端代码就可以在实际项目中调整，有任何问题也可以方便地进行调试。

新的管线对用户而言主要是C# 端的API以及由这些API编写的一系列定制化的内置渲染管线。而在内部实现上，引擎C++端会负责多线程实现性能关键的部分，如上图所示，而C#端负责更高层的渲染指令调度。

可编程渲染管线的使用层设计

用户可以直接使用开源的内置管线，或者在内置管线的基础上进行修改，甚至直接编写定制化的管线。具体使用上渲染管线在工程中会生成特定的Asset，如下图所示，这个Asset序列化了这条管线的一些公共设置变量，并负责在运行时创建实际的渲染上下文；当这个Asset的设置变量在运行时发生变化，引擎会销毁当前上下文然后重新创建管线。

可编程渲染管线是URP的基础，通过它我们可以知道unity中怎么实现最基本的渲染，unity对渲染管线API封装程度。

详解可编程脚本渲染管线SRP - Unity Connect​connect.unity.com

Scriptable Render Pipeline Overview – Unity Blog​blogs.unity3d.com

通用渲染管线Universal RP

LWRP是URP之前的名称，两者基本没有区别，URP相对LWRP的变化主要是把PostProcessing集成到内部了。

Unity轻量级渲染管线LWRP源码及案例解析（上） - Unity Connect​connect.unity.com

Unity轻量级渲染管线LWRP源码及案例解析（下）​connect.unity.com

Unity轻量级渲染管线LWRP源码及案例解析，讲解了URP的使用方法和拓展方法，里面有对SRP、URP的一些说明，URP与内置管线的对比，URP的源码结构。

在继续看源码细节之前，先看看URP的主要提升(相对于内置管线)，和不完善的地方。

提升：

1 开源

可编程渲染管线最大的好处就是开源，对于有能力的团队，可以选择在SRP的基础上写自己的管线。而使用Unity提供的管线模板URP或HDRP，也可以把他们从Package包中提出到Asset中做更改，上面的文章有提到修改的注意事项(其实就是记着把Shader中的include路径,和代码中的Shader.Find之类的路径改一下)，但是并不推荐这么做，因为版本更新的维护是噩梦。开源意味着容易定位到问题，对调试非常友好。

2 渲染路径改为单Pass Forward Rendering

内置管线的多Pass Forward Rendering，会在多光源时对额外的光源使用新的FowardAdd Pass计算，Pass数量是影响物体的光源数量，最大值为8。

URP的单Pass Forward Renderering，会将光源一次性传入Forward Pass，但由于单Pass能够传的数据有限，现在最多支持一个直线光外加4个其他光源。

这样做虽然并不完美，但多光源场景中DrawCall数量会大量下降。

3 拓展性(非代码修改)

URP在渲染队列中嵌入了拓展入口，相当于之前的CommandBuffer的可视化操作。上面的文章中有详细的使用方法。

用新的设计取代了GrabPass的结构，在Opaque渲染之后可以截出一张RenderTexture，提供给之后使用。

4 SRP Batcher

提供了一种新的批处理方式，基于Shader的批处理。不过这个技术还不是正式功能，有些局限，不支持Skinned Meshes、Material Property Blocks。

缺点：

1 不支持多相机叠加

这是很重要的功能，如果真用到了，就去改源码吧，要不等之后更新。

2 Defferred Renderring

现在URP里面没有延迟渲染，也没有时域抗锯齿TAA。

一个SRP代码示例

我们先看 详解可编程脚本渲染管线SRP - Unity Connect 中的最后一个例子，半透明渲染。

using 

渲染入口点为RenderPipeline类中的Render函数，参数为相机列表和渲染上下文，在这个函数的最后提交渲染上下文，完成渲染。填充渲染上下文的过程中，Unity封装好了一些方法，包括剔除操作、CommandBuffer的一系列指令、绘制渲染器等。

Universal RP

推荐先熟悉Universal RP的使用，再去看代码的实现，这样效率会更高。

Universal RP 7.0的文档​docs.unity3d.com

Universal RP的依赖Package有两个，CoreRPLibrary是URP和HDRP都用到的一些工具，ShaderGraph是shader的可视化节点编辑器，之前的PostProcessing已经集成到内部了。

Render方法

Universal RP的主要实现就在Universal RP的Runtime文件夹中，我们从渲染入口点开始看实现细节。

UniversalRenderPipeline类中的Render方法

一个Rendering Loop过程

整体结构非常简单，设置GraphicSetting参数，设置每帧Shader中的Global 变量，相机排序，相机遍历，每相机渲染。

首先看一下四个方法BeginCameraRendering、BeginFrameRendering、EndCameraRendering、EndFrameRendering，它们是基类RenderPipeline中的渲染管线回调。

RenderPipeline

GraphicsSettings.lightsUseLinearIntensity = (QualitySettings.activeColorSpace == ColorSpace.Linear);

更改颜色空间设置，这个设置位置在Player的OtherSetting中

GraphicsSettings.useScriptableRenderPipelineBatching = asset.useSRPBatcher;

是否开启SRPBatcher(根据shader合并材质)，这个功能使用还需要在Shader中将需要用CBuffer保存的变量用一段代码包含。并且有一定的限制。

按材质合并与按Shader合并

SRPBatcher使用注意事项

asset是指UniversalRenderPipelineAsset生成的管线资源，上面包含许多可调节设置，如SRPBatcher在倒数第四行，其他设置会在用到时说明。

UniversalRenderPipelineAsset中的设置

SetupPerFrameShaderConstants函数

RenderSettings.ambientProbe是环境光的2阶球谐函数表达，Unity也使用SphericalHarmonicsL2存储LightProbe数据。

RenderSettings.ambientProbe在这里设置

将系数转到相应颜色空间，把参数-环境光颜色、Subtractive模式下的阴影颜色传递到Shader，这就是每帧的shader常量。

PerFrameBuffer

PerFrameBuffer类中的参数是每帧需要的数据缓存，这些静态数据在创建管线时(或修改管线参数时)被赋值。

UniversalRenderPipeline的构造函数

继续看Render函数中的SortCameras(cameras)

按深度排序

接下来是遍历相机，我们先不关心VFX.VFXManager.ProcessCamera(camera)函数，它是为了在管线中集成Visual Effect Graph功能使用的，这里只有一个需要关心的方法RenderSingleCamera(renderContext, camera)。

RenderSingleCamera方法

public 

这个方法的过程如下：

1. 初始化剔除参数
2. 获取UniversalAdditionalCameraData
3. 初始化CameraData
4. 设置PerCameraBuffer(每相机使用的Shader Global变量PerCameraBuffer)
5. 获取ScriptableRenderer
6. 使用ScriptableRenderer继续填充剔除参数和CameraData
7. 开始性能采样(Profiler面板)
8. 编辑器模式下Scene相机额外显示UI
9. 剔除
10. 根据管线设置、CameraData、剔除结果，初始化渲染数据RenderingData
11. 使用ScriptableRenderer根据RenderingData，Setup并Excute渲染上下文
12. 结束性能分析
13. 提交渲染上下文

1 初始化剔除参数

camera.TryGetCullingParameters(IsStereoEnabled(camera),outvar cullingParameters)用于获取剔除结果，IsStereoEnabled是判断是否是立体相机(VR/AR)。

2 获取UniversalAdditionalCameraData

获取摄像机的额外数据UniversalAdditionalCameraData，我还没搞懂为什么面板是空的，里面的数据能序列化，甚至还有Tooltip，估计是没开发完。

挂着Camera所在GameObject上，面板默认不暴露

3 初始化CameraData，InitializeCameraData方法

static 

CameraData类

详细的设置大家阅读代码就可以得知。关于if(additionalCameraData !=null)那段设置，我没理解，现在的状态就是不添加UniversalAdditionalCameraData就会不支持后处理等效果，这里猜测这个设计的目的是为了区分两种相机模式，还希望大家能告诉我为什么。defaultOpaqueSortFlags的两种情况只差了一个是否按深度排序，其中camera.opaqueSortMode并没有被设置，在URP中始终未OpaqueSortMode.Default。captureActions只在Editor模式下生效，是录屏用的。cameraTargetDescriptor是RenderTextureDescriptor，在之后的Blit等操作里会用到，MSAA值也保存在这里。

4 设置PerCameraBuffer

SetupPerCameraShaderConstants方法

PerCameraBuffer类

这里设置的几个摄像机参数，_ScreenParams的4个向量格式在HLSL或者GLSL都会用类似的方法传递。

乘法顺序与命名顺序

读到这里，我对乘法顺序有疑问，于是去找shader中的乘法使用，以对比C#中的参数。

com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/SpaceTransforms.hlsl中的本地坐标转为世界坐标

首先注意shader中通常使用矩阵在左向量在右的常规乘法。

com.unity.render-pipelines.universalShaderLibraryInput.hlsl

注意红框中，UNITY_MATRIX_MV实际是UNITY_MATRIX_V × UNITY_MATRIX_M。矩阵乘法满足分配率，MVP矩阵乘向量p，与P(V(Mp))是相等的。这也是为什么C#端VP = P×V，只是命名习惯的问题。

5 获取ScriptableRenderer

ScriptableRenderer renderer = (additionalCameraData != null) ? additionalCameraData.scriptableRenderer : settings.scriptableRenderer;

ScriptableRenderer是抽象出的渲染功能实体，是UniversalRP可拓展的最外层，里面还有ScriptableRenderPass可以拓展。目前Unity提供了2个实现ForwardRenderer和Renderer2D，管线默认使用ForwardRenderer，默认资源是UniversalRP/Runtime/Data/ForwardRendererData.asset。可以每相机使用不同的ScriptableRenderer，这个设置方法和版本有关，可以看这个版本使用的addtionalCameraData.scriptableRenderer，有的版本使用camera.scriptableRenderer。

使用Custom管线

6 使用ScriptableRenderer继续填充剔除参数和CameraData

ScriptableRenderer.Clear

ScriptableRenderer.SetupCullingParameters

ForwardRenderer.SetupCullingParameters

Renderer2D.SetupCullingParameters

Clear方法相当于ScriptableRenderer的每相机初始化，SetupCullingParameters是虚方法，在ForwardRenderer和Renderer2D中有不同实现，后面以ForwardRenderer为主进行说明，ForwardRenderer中SetupCullingParameters进一步确定了阴影距离。

7 开始性能采样(Profiler面板)

CommandBufferPool是CommandBuffer对象池，ProfilingSample是封装的性能采样器，这两个类都在Core RP的Package中。

8 编辑器模式下Scene相机额外显示UI

9 剔除

var cullResults = context.Cull(ref cullingParameters)，剔除是Unity封装好的一个方法，我们只能通过参数设置进行控制。

剔除参数

剔除结果的内容

10 根据管线设置、CameraData、剔除结果，初始化渲染数据RenderingData

static 

RenderingData是用于存储每相机渲染所需的所有数据的结构体，这个方法的目的就是完全填充渲染数据，最后交给ScriptableRenderer使用。

RenderingData结构体

var visibleLights = cullResults.visibleLights，从剔除结果中获得所有可见光GetMainLightIndex代码如下，可以从代码中看出MainLight的定义。

GetMainLightIndex方法

下面一段是MainLight和AdditionalLights是否存在阴影的判断，可以看出URP是不支持AdditionalLights的点光源和直线光源阴影的。CullResults和CameraData直接赋值给RenderingData。LightData、ShadowData和PostProcessingData方法由独立的方法赋值。

InitializeLightData方法

最大AdditionalLight数量是4，每相机最大可见光数量是16

LightData相关设置

InitializeShadowData方法前半段

InitializeShadowData方法前半段，设置每光线的Bias值，这里UniversalAdditionalLightData和相机上挂的额外数据类似，不过这个脚本目前只有usePipelineSettings这一个字段，还是默认的true，面板同样是空的。

InitializeShadowData方法后半段

InitializeShadowData方法后半段，设置是否支持MainLight和AdditionalLights的阴影，用到了“MainLight和AdditionalLights是否存在阴影”数据，分别设置ShadowMap的尺寸，MainLight的阴影额外设置级联数据。设置是否支持软阴影、设置ShadowMap的DepthBuffer使用16bits数据。

ShadowData相关设置

InitializePostProcessingData方法

PostProcessingData设置

supportsDynamicBatching：是否支持动态批处理。

PerObjectData枚举

PerObjectData是每Object需要的数据标记，通过下图方法获取。

killAlphaInFinalBlit会在最后的Blit操作前开启ShaderKeyword：_KILL_ALPHA，把前面的数据完全覆盖。

com.unity.render-pipelines.universalShadersUtilsBlit.shader的片元着色器

11 使用ScriptableRenderer根据RenderingData，Setup并Excute渲染上下文

在看具体实现之前，先看看ScriptableRender的设计。

ScriptableRender是由一个实体生成的——ScriptableRendererData。

ScriptableRendererData类

ScriptableRendererData中需要注意Create方法，它会在新建渲染管线时与管线一同创建，设置变化时重新创建ScriptableRender实例，还可以根据每相机设置来创建。ScriptableRendererData中的ScriptableRendererFeature集合，是URP提供给用户不用改代码就能增加Feature的功能，类似的，ScriptableRendererFeature继承自ScriptableObject，它可以创建出ScriptableRenderPass实例。

ScriptableRender类中定义了ScriptableRenderPass集合List m_ActiveRenderPassQueue = new List(32)，ScriptableRenderPass中有抽象方法Execute，这个方法会在ScriptableRenderPass的不同子类中实现，context的渲染指令就是在ScriptableRenderPass.Execute方法中被填充的，比如context.DrawRenderers、context.DrawSkybox、context.ExecuteCommandBuffer等指令。ScriptableRenderer中的Setup方法会生成需要的m_ActiveRenderPassQueue，Excute方法会给m_ActiveRenderPassQueue排序分类、设置渲染目标、完成ScriptableRenderPass.Execute调用。

ScriptableRenderPass.Execute

ScriptableRender.Setup

ScriptableRenderer.Setup是虚方法。

ForwardRender类

ForwardRender类中定义了许多Pass结尾的变量，它们就是ScriptableRenderPass的子类。这里还有光照信息，光照在初始化和SetupLights方法中被赋值使用。

ForwardRender.Setup方法使用RenderData数据，来设置好渲染所需要的内容：管理并提交ScriptableRenderPass到m_ActiveRenderPassQueue；提前定义好这个相机要使用的颜色和深度目标，数据格式是RenderTargetIdentifier，是CommandBuffer中RenderTexture的标识；将RendererFeatures生成的ScriptableRenderPass添加到m_ActiveRenderPassQueue中；创建相机渲染目标的临时RenderTexture；设置Backbuffer的格式。

ForwardRender中初始化ScriptableRenderPass的过程

可以把渲染理解为绘制过程，这些ScriptableRenderPass子类就代表不同的过程，可以在上图中看到这些过程所处的阶段，即不同过程的绘制顺序。

• VolumeBlendingPass：后处理使用的Volume融合，URP中作为第一个绘制使用
• MainLightShadowCasterPass：主光源的ShadowCaster贴图绘制
• AdditionalLightsShadowCasterPass：附加光源的ShadowCaster贴图绘制
• DepthOnlyPass：绘制深度贴图
• ScreenSpaceShadowResolvePass：使用ShadowCaster贴图和深度贴图绘制屏幕空间的阴影贴图
• ColorGradingLutPass：绘制用于后处理ColorGrading的Lut贴图
• DrawObjectsPass：绘制不透明物体或半透明物体，第一次使用处于RenderPassEvent.BeforeRenderingOpaques阶段，绘制不透明物体
• CopyDepthPass：复制深度贴图
• DrawSkyboxPass：绘制天空盒
• CopyColorPass：复制颜色贴图
• DrawObjectsPass：绘制不透明物体或半透明物体，第二次使用处于RenderPassEvent.BeforeRenderingTransparents阶段，绘制半透明物体
• PostProcessPass：后处理，第一次使用处于RenderPassEvent.BeforeRenderingPostProcessing阶段阶段
• PostProcessPass：后处理，第二次使用处于RenderPassEvent.AfterRenderingPostProcessing阶段阶段
• CapturePass：用于RenderPassEvent.AfterRendering阶段的截屏，前面提到非Editor模式下renderingData.cameraData.captureActions是空的
• FinalBlitPass：通常在没有后处理且不以相机为渲染目标的渲染中使用，比如RenderScale不为1时，用于把渲染结果重新传到屏幕

ForwardRender.Setup第1段

ForwardRender.Setup第2段

ForwardRender.Setup第3段

ForwardRender.Setup第4段

因为ScriptableRenderPass的子类内容比较多，这里不展开分析Setup方法了，先去看看ScriptableRender.Execute的功能。

ScriptableRender.Execute

ScriptableRenderer.Execute是ScriptableRenderer层的绘制执行方法，过程如下：

• 清理光照与阴影的ShaderKeyword
• m_ActiveRenderPassQueue按照ScriptableRenderPass.renderPassEvent排序
• 时间设置与缓存
• 按Block划分m_ActiveRenderPassQueue
• 执行RenderPassBlock.BeforeRendering的Block
• 初始化相机相关的属性(Shader变量)
• 设置光照(SetupLights方法)
• 时间设置为之前缓存值
• BeginXRRendering
• 执行RenderPassBlock.MainRendering的Block
• 绘制GizmoSubset.PreImageEffects的Gizmos
• 执行RenderPassBlock.AfterRendering的Block
• EndXRRendering
• 绘制GizmoSubset.PostImageEffects的Gizmos
• 清理数据

时间的设置，官方还会改动，代码中有注释说明。有个block的概念，m_ActiveRenderPassQueue被分为3个block，按照下图节点划分，FillBlockRanges为划分方法，ExecuteBlock为按Block执行。

Block划分依据

ExecuteBlock方法中进一步调用了指定Block中的ExecuteRenderPass方法，ExecuteRenderPass方法在确定ScriptableRenderPass对应的渲染目标后，调用ScriptableRenderPass.Execute设置每个渲染模块的上下文。

ScriptableRenderer.ExecuteRenderPass

下面通过Unity中的FrameDebug看看渲染目标设置的过程，Game视窗当前分辨率为1600*900。

1. SetRenderTarget.Clear1——VolumeBlendingPass被视为第一个以相机为渲染目标的Pass，设置了一个1600*900的
2. SetRenderTarget.Clear2——MainLightShadowCasterPass在Configure中重新定义了渲染目标，渲染目标变更为2048*1024的TempBuffer
3. RenderMainShadowMap——在TempBuffer上绘制ShadowCaster，这里的两个绘制对应两个阴影级联
4. SetRenderTarget.Clear——DepthOnlyPass在Configure中重新定义了渲染目标，渲染目标变更为1600*900的_CameraDepthTexture
5. DepthPrePass——在_CameraDepthTexture中绘制深度信息
6. SetRenderTarget.Clear——ScreenSpaceShadowResolvePass在Configure中重新定义了渲染目标，渲染目标变更为1600*900的_ScreenSpaceShadowMapTexture
7. ResolveShadows——根据_CameraDepthTexture、TempBuffer在_ScreenSpaceShadowMapTexture中绘制阴影
8. RenderOpaques——在上绘制不透明物体，使用到了_ScreenSpaceShadowMapTexture，这里出现了渲染目标变更，但变更目标是之前存在的，所以并没有创建渲染目标
9. RenderSkybox——在上绘制天空盒

ForwardRender的一帧渲染

ExecuteRenderPass方法中有一行ClearFlag clearFlag = GetCameraClearFlag(camera.clearFlags)，这个方法获取第一个Clear的ClearFlag，在不同平台上结果有差异，大家一定要注意。

12 结束性能分析

在ProfilingSample执行Dispose时cmd设置为结束性能分析，并立刻被提交到context中。

13 提交渲染上下文

context.Submit();

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由于ScriptableRenderPass内容比较多，就不详细列出RenderData设置的参数是怎么作用于不同的ScriptableRenderPass了，可以在使用相应模块时再去了解。

之后会更新Universal RP中的Lit.shader的内容，这个Shader相当于默认渲染管线中的Standard.shader。