Unity URP/SRP 渲染管线浅入深出【匠】

 

目录

SRP/URP/HDRP之间的关系

SRP是什么？

URP是什么？

HDRP是什么？

2. 为什么诞生SRP？

3. URP 和 内置渲染管线 性能对比

1. 首先来说说光照处理部分

2. 接下来看看SRP Batcher（重点）

SRP Batcher 是什么？

SRP Batcher是怎么优化的？

内置渲染管线和URP的CPU原理图对比：

SRP Batcher 兼容性

3. URP的增加功能

1.渲染管线扩展/自定义渲染器（待补充）

1. 第一人称对象

2. 卡通描边

3. 对象遮挡

4. 模糊清晰混合

2. 摄像机堆叠（待更新）

URP源码解析（待更新）

参考文章：

额外内容

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SRP/URP/HDRP之间的关系

下图是各个管线的关系图

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。

 

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

 

1. 首先来说说光照处理部分

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。

下面有图有真相

1. 无光源情况下的对比

内置渲染管线：

URP：

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：

URP：

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：

URP：

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：

URP：

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。

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：

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。

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：

内置渲染管线：（红框部分就是SRP Batcher优化的性能部分）

 

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）

 

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

URP

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。

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.

 

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。

Property定义的属性也是属于PerMaterial.

 

可以在 Inspector 面板中查看着色器的兼容性状态。

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）

内置渲染管线（开启静态批处理）

URP未开启SRP Batcfh

URP环境下（开启SRP Batcher）

 

 

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。

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

此Demo有两个渲染器

我们来看看第二个渲染器

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。

 

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。

 

2. 摄像机堆叠（待更新）

 

 

URP源码解析（待更新）

详解属性：

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：