Unity URP/SRP 渲染管线浅入深出

SRP/URP/HDRP之间的关系

下图是各个管线的关系图

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根据上图所示，URP是Unity可编程渲染管线(SRP)的一种，所以了解URP之前需要先了解SRP是什么。(在文章最下面，额外内容里附了张渲染管线流程图)

SRP是什么？

SRP全称为Scriptable Render Pipeline（可编程渲染管线/脚本化渲染管线），是Unity提供的新渲染系统，可以在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。

说白了就是我们可以用SRP的API来创建自定义的渲染管线，可用来调整渲染流程或修改或增加功能。

它主要把渲染管线拆分成二层：

• 一层是比较底层的渲染API层，像OpenGL，D3D等相关的都封装起来。

• 另一层是渲染管线上层，上层代码使用C#来编写。在C#这层不需要关注底层在不同平台上渲染API的差别，也不需要关注具体如何做一个Draw Call

URP是什么？

它的全称为Universal Render Pipeline(通用渲染管线), 它是Unity官方基于SRP提供的模板，它的前身是LWRP(Lightweight RP即轻量级渲染管线), 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，性能比内置管线要好，另外可以进行自定义，实现不同风格的渲染，通用渲染管线未来将成为在Unity中进行渲染的基础 。

平台范围：可以在Unity当前支持的任何平台上使用

HDRP是什么？

它的全称为High Definition Render Pipeline（高清晰度渲染管线），它也是Unity官方基于SRP提供的模板，它更多是针对高端设备，如游戏主机和高端台式机，它更关注于真实感图形和渲染，该管线仅于以下平台兼容：

• Windows和Windows Store，带有DirectX 11或DirectX 12和Shader Model 5.0
• 现代游戏机（Sony PS4和Microsoft Xbox One）
• 使用金属图形的MacOS（最低版本10.13）
• 具有Vulkan的Linux和Windows平台
• 在此文章对HDRP不过多描述。

2. 为什么诞生SRP？

内置渲染管线的缺陷

• 定制性差：过去，Unity有一套内置渲染管线，渲染管线全部写在引擎的源码里。大家基本上不能改动，除非是买了Unity源码客户，当然大部分开发者是不会去改源码，所以过去的管线对开发者来说，很难进行定制。

• 代码脓肿，效果效率无法做到最佳：内置渲染管线在一个渲染管线里面支持所有的二十多个平台，包括非常高端的PC平台，也包括非常低端的平台，很老的手机也要支持，所以代码越来越浓肿，很难做到使效率和效果做到最佳。
  目的：

• 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。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。

  
  
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在看URP 和 内置渲染管线 性能对比之前最好先了解DrawCall，Batches，SetPassCalls分别是什么值。

DrawCall，Batches，SetPass calls文章：https://blog.csdn.net/qq_30259857/article/details/110062397

3. URP 和 内置渲染管线 性能对比

主要提速的有两个方面

1. 光照处理（包括阴影）

2. SRP Bacher (SRP 批处理)（重点）

其他可以看看官网图，下面是官网的对比表链接和图。

https://docs.unity3d.com/Packages/[email protected]/manual/universalrp-builtin-feature-comparison.html

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1. 首先来说说光照处理部分

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如上图所示，老的渲染管线使用Multi-Pass的Forward Rendering，就是多Pass的正向渲染。最大的问题是如果要在场景里要加很多动态光的话，每一个动态光都有可能会增加一个Pass，这个动态光所影响的物体要多画一遍。

这就导致如果游戏里想要有多个动态光的话，可能这个场景会被画很多遍，性能会很差。它带来的问题是所有的游戏几乎都不会用多个动态光，因为实在太费性能了。

在过去制作移动的游戏的过程中，大家的标准做法都是烘焙Lightmap。

现在URP就解决了这个问题。实现了一个单PASS的正向渲染。可以支持多盏动态光，但是全部动态灯光都会放在一个Pass里渲染，这样带来的问题是要限制灯光的数量，因为每次Draw Call去画的时候，传给GPU的参数是有限的。

如果灯光数量特别多，参数太多，那就会无法在一次Draw Call里完成很多个灯光。所以我们有一些限制，在轻量级渲染管线LWRP里，目前是支持1盏平行光，每个对象可能只能接受4个动态光。每个摄像机也有一些限制，这是为了我们可以把所有的计算放在一个Pass里面。

接下来看看内置渲染管线和URP各种情况下的光照处理实验对比

以下是分别在四种情况下对比所得出的结论

1.无光源。 （没区别）
2.一个平行光，无阴影。（没区别）
3.一个平行光，一个点光源，无阴影。
结论：内置渲染管线跟只有一个平行光时比起来Batches将近增加了一倍，而URP的Batches和SetPass calls跟一个平行光时一样，一点都没有增加。
4.一个动态光，有阴影。
结论：在阴影的处理方面URP性能比内置渲染管线好很多。

URP光照处理最终结论：

1. 性能上阴影处理方面比内置渲染管线好很多。
2. URP平行光基础上添加动态光没有带来额外的Batches和SetPass calls性能开销。

1. 性能上阴影处理方面比内置渲染管线好很多。

2. URP平行光基础上添加动态光没有带来额外的Batches和SetPass calls性能开销。

下面有图有真相

1. 无光源情况下的对比

内置渲染管线：

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URP：

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结论：Batches，SetPass Calls 基本是一样的，没区别。

2. 一个平行光，无阴影下的对比

内置渲染管线：

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URP：

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结论：Batches，SetPass Calls 基本是一样的，没区别。

3. 一个平行光，一个点光源，无阴影下的对比

内置渲染管线：

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URP：

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结论：可以发现内置渲染管线的Batches将近增加了一倍，而URP的Batches和SetPass calls跟一个平行光时一样，一点都没有增加。

4. 一个平行光，有阴影下的对比

内置渲染管线：

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URP：

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结论：内置渲染管线处理阴影面数增加了45k，Batches增加了759，URP面数增加了11K，Batches增加了188。处理阴影性能上URP好很多。

2. 接下来看看SRP Batcher（重点）

SRP Batcher 是什么？

官网解释：SRP Batcher 是一个底层渲染循环，可通过许多使用同一着色器变体的材质来加快场景中的 CPU 渲染速度。

个人解释：就算是不同的材质球，只要是用一个着色器变体的物体都可以批处理到一块。（在2019.3.4版本 渲染顺序也会打断批处理，这点上官网没有说明，也许后续版本已经处理了），它的主要目的是减少渲染状态设置的开销，还有就是把物体属性用专用代码快速更新。

上面解释都提到了变体，那么变体怎么理解呢？

multi_compile和shader_feature这两个关键字就是实现着色器变体的指令。

下面是自定义的multi_compile 关键字。

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上图中定义了两个multi_complie，white和black两个关键字，此时Unity会生成两个变体，一个是走white逻辑的变体，另外一个是走black逻辑的变体。然后在脚本中通过Material.EnableKeyWord和Shader.EnableKeyword来开启某功能，通过Material.DisableKeyword和Shader.DisableKeyword来关闭某功能。为什么这么做呢？主要是为了避免分支语句（if ）导致的性能下降。

。

除了关键字还有这些

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参数不一致的话也无法批处理到一块。

shader_feature关键字跟multi_compile不一样的是未被选择的变体会在打包的时候被舍弃（multi_complie不会），shader_feature主要是在材质球选项上控制开关，比如

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这个选项。

URP的Lit Shader里有很多实现变体指令，所以这些Shader生成的变体也有很多。如图：

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主要参考来自以下文章：

多版本shader的编写-multi_compile和shader_feature：https://zhuanlan.zhihu.com/p/190233160?utm_source=wechat_session
https://docs.unity.cn/cn/2019.3/Manual/SRPBatcher.html
https://connect.unity.com/p/srp-batcher-jia-su-xuan-ran

过去，Unity 中，可以在一帧内的任何时间修改任何材质的属性。但是，这种做法有一些缺点。当Draw Calls使用新材质时，需要进行很多处理。场景内的材质越多，设置GPU数据所需的CPU资源就越多。解决此问题的传统方法是减少 DrawCall 的数量以优化 CPU 渲染成本，因为 Unity 在发出 DrawCall 之前必须进行很多设置。实际的 CPU 成本来自该设置，而不是来自 GPU DrawCall 本身（DrawCall 只是 Unity 需要推送到 GPU 命令缓冲区的少量字节）。

这是官网说的提速效果：

Unity 2018引入了可编程渲染管线SRP，其中包含新的底层渲染循环SRP Batcher批处理器，它可以大幅提高CPU在渲染时的处理速度，根据场景内容的不同，提升效果为原来的1.2～4倍不等。

SRP Batcher是怎么优化的？

SRP Batcher使材质数据持久保留在 GPU 内存中。如果材质内容不变，SRP Batcher 不需要设置缓冲区并将缓冲区上传到 GPU。还有 SRP Batcher 会使用专用的代码路径来快速更新大型 GPU 缓冲区中的 Unity 引擎属性，如下图。

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上面的功能能解决什么问题呢？也就是CPU不需要再设置渲染状态和一大堆渲染数据设置，只需要物体跟缓冲区的数据绑定就可以了。

SRP Batcher 正是通过批处理一系列 Bind 和 Draw GPU 命令来减少 DrawCall 之间的 GPU 设置。

内置渲染管线和URP的CPU原理图对比：

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内置渲染管线：（红框部分就是SRP Batcher优化的性能部分）

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URP：

在把材质数据和物体数据上传好后的流程图：（GPU没有详细画，主要看CPU）

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上面流程图中绑定的意思是大家都知道Shader里有很多变量，如纹理贴图，Property定义的变量以及内置变量等，个人理解是把缓冲区里存的渲染数据设置给了Shader变量。

再看看OpenGL API调用情况

内置渲染管线

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URP

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可以发现内置渲染管线有 glUniform4fv API，这是设置一大堆着色器数据的函数，也是耗时的部分，而在URP取而代之的是Bind接口，省去了设置着色器数据的开销。

根据上面内容我们可以知道SRP Batcher并没有减少DrawCall，而是优化了DrawCall之前的设置开销。

SRP Batch值我们可以在Frame Debug窗口可以看得到。

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Statistics窗口上的SetPass calls值，其实就是SRP Batch数量 加上 未能批处理的DrawCall数量。

在下图中可以看到SRP Batch批处理了 189个 DrawCalls.

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SRP Batcher 兼容性

为了使 SRP Batcher 代码路径能够渲染对象：

• 渲染的对象必须是mesh或者skinned mesh。该对象不能是粒子。

• 着色器必须与 SRP Batcher 兼容。HDRP 和 URP 中的所有光照和无光照着色器均符合此要求（这些着色器的“粒子”版本除外）。
  为了使着色器与 SRP Batcher 兼容：

• 必须在一个名为“UnityPerDraw”的 CBUFFER 中声明所有内置引擎属性。例如：unity_ObjectToWorld 或 unity_SHAr。

• 必须在一个名为 UnityPerMaterial 的 CBUFFER 中声明所有材质属性。

  
  
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Property定义的属性也是属于PerMaterial.

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可以在 Inspector 面板中查看着色器的兼容性状态。

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可以在 Inspector 面板中检查特定着色器的兼容性。

在看看时间对比

内置渲染管线（未开启任何合批）

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内置渲染管线（开启静态批处理）

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URP未开启SRP Batcfh

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URP环境下（开启SRP Batcher）

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3. URP的增加功能

主要有以下功能

1. 渲染管线扩展/自定义渲染器

2. 摄像机堆叠 （待更新）

3. Shader Graphic（Shader图形编程）（待更新）

1.渲染管线扩展/自定义渲染器（待补充）

官网案例Github地址：https://github.com/Unity-Technologies/UniversalRenderingExamples

以下是官网案例效果（最后一个是自己实现）

1. 第一人称对象

此Demo主要演示的是摄像机堆叠功能，摄像机堆叠功能下面会单独专门讲。

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2. 卡通描边

展示一种创建卡通样式轮廓效果的设置，示例中有两种方法，一种是后处理方法，另一种是船体网格方法。一个示例使用自定义RendererFeature，并且都使用自定义着色器

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此Demo有两个渲染器

我们来看看第二个渲染器

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主要的卡通描边效果就是在上图中的 Sobel Outlines (Blit)实现，

3. 对象遮挡

当一个对象被另一个对象遮挡时，可以创建效果。

如下图所示，一个角色被建筑挡住时用指定的材质效果来显示角色被遮挡的部分。

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以下是自己实现的扩展功能

4. 模糊清晰混合

此效果是在模糊的基础上把某层的物体清晰显示的效果。

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渲染器列表

HDR（High Dynamic Range Imaging）：高动态范围成像，

Anti Aliasing（MSAA）：抗锯齿

参考文章：
Unity轻量级渲染管线LWRP源码及案例解析 - 上：https://connect.unity.com/p/unityqing-liang-ji-xuan-ran-guan-xian-lwrpyuan-ma-ji-an-li-jie-xi-shang

Unity轻量级渲染管线LWRP源码及案例解析 - 下：https://connect.unity.com/p/unityqing-liang-ji-xuan-ran-guan-xian-lwrpyuan-ma-ji-an-li-jie-xi-xia

SRP Batcher：加速渲染：https://connect.unity.com/p/srp-batcher-jia-su-xuan-ran

URP扩展案例 Github地址： https://github.com/Unity-Technologies/UniversalRenderingExamples

Unite Now - （中文字幕）使用URP提升游戏画面效果：https://www.bilibili.com/video/BV1fK4y1a78s

关于静态批处理/动态批处理/GPU Instancing /SRP Batcher的详细剖析：https://zhuanlan.zhihu.com/p/165574008

关于静态批处理/动态批处理/GPU Instancing /SRP Batcher的详细剖析：https://zhuanlan.zhihu.com/p/98642798

Batch, Draw Call, Setpass Call：https://zhuanlan.zhihu.com/p/76562300

Unity3D优化技巧系列（一）：Draw Call优化：https://gameinstitute.qq.com/community/detail/113025

Unity ConstantBuffer的一些解析和注意：https://zhuanlan.zhihu.com/p/137455866

额外内容

渲染流水线图：

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转载于：https://blog.csdn.net/qq_30259857/article/details/108318528