--- title: "SRP" author: "Perrin Yong" author_profile: https://www.pystone.net/profile/ published_by: "Perrin Yong" canonical: https://www.pystone.net/notes/unity-srp-scriptable-render-pipeline/ type: note content_role: unspecified visibility: public id_stability: rename-stable source_path: "10-计算机、信息技术与工程/05-游戏图形与运行时/渲染基础/SRP.md" content_hash: 883b8ccb842d1e7cfc6e69c7bbcfd4512b726e37e2cb4115fca438203c5672dd knowledge_version: 224c990773de.5fa8af6e39fa site_commit: 224c990773de166d23a886306577dd90379529ce notes_commit: 5fa8af6e39fa3891d1b9b4832bfa6c4e0ecaaf0a --- # SRP ## 1 渲染基础知识 ![assets/0001 - SRP__5bc3eddacd591.png](/media/7e078ef72b0cffd9066c.png) ### 1.1 图形渲染管线 《Render-Time Rendering Third Edition》一书中将计算机图形渲染的流程划分为3个阶段 #### 应用阶段（Application Stage） 准备好要渲染的场景数据，如相机，模型，灯光等信息，为提高性能对不可见的物体进行剔除（Culling），最后设置好每个即将渲染的模型所对应的渲染状态。渲染状态包括但不限于材质，纹理，Shader等。 #### 几何阶段 （Geometry Stage） 该阶段运行在GPU上 1. 模型和视图变换 Model and View Transform 2. 顶点着色 Vertex Shading 顶点着色阶段的目的即确认顶点处材质的光照效果。像顶点位置，法线等数据都会通过该阶段发送到光栅化阶段。 3. 投影 Projection 该阶段就是将模型从三维空间投射到二维空间的过程 常见的投影方式有两种：**正交投影**，**透视投影** 4. 裁剪 Clipping ![assets/0001 - SRP__5bc3ee3de2ed6.png](/media/568fe7483e536b6763ea.png) 当图元完全处于视体内部，直接进入下个阶段 当图元完全处于视体外部，直接丢弃 当图元部分处于视体内部，对图元进行裁剪并产生新的图元 裁剪阶段即对部分处于视体内部的图元进行裁剪操作。 1. 屏幕映射 Screen Mapping ![assets/0001 - SRP__5bc3ee08bff1f.png](/media/c94b2d6c07ae53d2b19a.png) 进入该阶段顶点坐标仍然是三维的，但x,y在经过上面的投影阶段已经是二维的状态。此时x,y与z坐标组成了窗口坐标系。 假设在一个窗口里对场景进行绘制，窗口最小坐标(x1, y1)，最大坐标(x2, y2)。屏幕映射首先进行平移，随后进行缩放，在映射过程中z坐标不受影响。新的x和y坐标称为屏幕坐标系，并和z坐标进入光栅化阶段。 屏幕映射阶段即是将得到的坐标映射到对应的屏幕坐标系上。 #### 光栅化阶段（Rasterizer Stage） 1. 三角形设置 Triangle Setup 计算三角形表面的差异和三角形表面的其他相关数据 2. 三角形遍历 Triangle Traversal 扫描三角形覆盖的像素区域，并将重合的像素生产片段（fragment）。 3. 像素着色 Pixel Shading 逐像素处理着色运算 4. 合并 Merging 图形系统一般都是使用**双缓冲机制**，也就是最终生产的图像会输出到**后台缓冲区**(backbuffer)，然后交换至屏幕。合并阶段就是将前面所有片段操作（如：颜色缓冲区，alpha通道，模板缓冲区，深度测试结果等）所产生的片段颜色合并至后台缓冲区(backbuffer)。 ### 1.2 GPU渲染管线 ![assets/0001 - SRP__5bc3ee61dd019.png](/media/fb243f1b04071ff14194.png) > 绿色阶段完全可以编程 > > 蓝色阶段可配置，不可编程 > > 灰色阶段完全固定，不可配置，不可编程 > > > 后续知识路径： > > > Unity中的固定管线 > > > - Deferred Rendering > - Forward Rendering > > Unity中的可编程管线 > > > - High Definition Render Pipeline > - LightWeight Render Pipeline > - 自定义渲染管线 ## 2 SRP概述 可编程渲染管线是一个可以通过代码控制渲染的方式的管线。 ### 2.1 解决了什么问题 #### 问题 传统Unity提供了一系列的内置管线供我们使用。包括**前向渲染**和**延迟渲染**。这些渲染方式是传统渲染黑盒子的缺点： - 只能按照他们本身设计的程序执行 - 很一般，它们需要做每一件事，而不能掌控任何流程 - 不可配置。只能在预设的位置注入一些指令 - 拓展性和可修改性有限，内部较小的修改可能导致外部较大的变化 由于改变破坏项目的行为产生Unity无法修复的Bug #### 解决 SRP Core API 解决了上面描述的问题。其将渲染流程从原来的黑盒转向可控制、预制件、可编程的方向。 ### 2.2 概念与过程 #### SRP Asset SRP Asset本身是一个ScriptableObject，我们可以对其进行保存和版本控制。在GraphicsSetting中进行设置，Unity会使用SRP提供的渲染设置。SRP Asset提供了配置渲染管线的接口，当Unity实现第一次渲染的时候，其会调用InternalCreatePipelineCreatePipeline，Asset会返回一个SRP Instance。 ``` [ExecuteInEditMode] public class BasicAssetPipe : RenderPipelineAsset { public Color clearColor = Color.green; # if UNITY_EDITOR // Call to create a simple pipeline [UnityEditor.MenuItem( "SRP-Demo/01 - Create Basic Asset Pipeline" )] static void CreateBasicAssetPipeline ( ) { var instance = ScriptableObject.CreateInstance(); UnityEditor.AssetDatabase.CreateAsset(instance, "Assets/BasicAssetPipe.asset" ); } # endif protected override RenderPipeline CreatePipeline ( ) { return new BasicPipeInstance(clearColor); } } ``` #### SRP Instance SRP Asset控制配置，但是SRP Instance是真正的渲染的切入点，渲染的逻辑都在SRP Instance中。SRP Instance中包括一个Render function，此方法包括两个变量：ScriptableRenderContext（Command Buffer用于排列渲染相关操作）、Camera（需要渲染的摄像机）。 ``` public class BasicPipeInstance : RenderPipeline { private Color m_ClearColor = Color.black; public BasicPipeInstance ( Color clearColor ) { m_ClearColor = clearColor; } protected override void Render ( ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras ) { // clear buffers to the configured color var cmd = new CommandBuffer(); cmd.ClearRenderTarget( true , true , m_ClearColor); context.ExecuteCommandBuffer(cmd); cmd.Release(); context.Submit(); } } ``` SRP使用Unity中的CommandBuffers提供相关操作，CommandBuffers中的顺序是根据context传入的数据排序。SRP渲染最后一步需要调用context.Submit()方法，这一步执行render context中相关指令。 #### SRP Context SRP渲染使用了延迟执行的方法。如果我们创建了一系列指令并执行它们。用于创建指令的的对象叫ScriptableRenderContext作为一个参数传给Render方法。 #### SRP中的Culling - 视锥剔除：只计算在摄像机近裁剪面和远裁剪面之间的游戏物体 - 遮挡剔除：计算那些物体被遮挡了，并将被遮挡的物体进行剔除。 Unity开始渲染第一步是计算哪些可以渲染。这包括选择一个摄像机和进行剔除操作。剔除操作返回一个**被摄象机渲染的游戏物体**和**光照的列表**。SRP将在之后的渲染管线中使用这些游戏物体。SRP提供了很多关于剔除的相关API。 ``` //Parameters controlling culling process in CullingResults ScriptableCullingParameters cullingParams; Camera.main.TryGetCullingParameters( out cullingParams); //doing culling for each camera CullingResults cullingResults = new CullingResults(); cullingResults = context.Cull( ref cullingParams); ``` #### SRP中的 Drawing 在SRP中draw需要在culling步骤完成之后进行。 在渲染管线中可配置的部分很多，有一些我们需要在工作之前进行确认： - 渲染管线的目标硬件、 - 想实现的特殊视觉效果 - 项目的类型 具体的选项： - HDR vs LDR - Linear vs Gamma - MSAA vs Post Process anti-aliasing - Physically-based Materials vs Simple Materials - Lighting vs No Lighting - Lighting technique - Shadowing technique 实例1:过滤：Render Buckets and Layers 无光照，渲染一些不透明的物体 游戏物体有很多的类别，Unity使用队列的方式对其渲染。这些队列来自Unity存放GameObjects的buckets。当SRP渲染场景的时候，可以指定buckets的范围。 在buckets，可以使用标准的Unity Layers进行过滤。 ``` var opaqueRange = new FilteringSettings(); //FilteringSettings.renderQueueRange : Render objects whose material render queue in inside this range //这里的渲染队列在[0,GeometryLast]之间是为不透明对象，在[GeometryLast,5000]之间被视为半透明对象。 opaqueRange.renderQueueRange = new RenderQueueRange( 0 , ( int )RenderQueue.GeometryLast); //layerMask - Only render objects in the given layer mask //Include all layers opaqueRange.layerMask = ~ 0 ; //??????不懂 ``` 实例2：绘制设置：物体如何被绘制出来的 通过前面的filtering和culling的过程，SRP决定了那些是需要渲染的对象，但是还需要进行如何绘制的设置.SRP提供了大量的可选择配置来渲染那些通过了过滤的游戏物体。用于配置的结构体叫做 DrawRenderSettings：允许我们进行配置： Sorting - 渲染游戏物体的顺序，比如从前向后或从后向前 Per-Renderer flags - 那些内置的设置要Unity传给Shader，这包括像预置的光线探针(probe)、预置的光线贴图 Rendering flags - SRP batching的算法，像instancing 或者 non-instancing Shader Pass - 当前渲染批次使用哪个Shader pass ``` //Setting for DrawRenderers.describes how to sort visible objects are sorted and which shader passes to use. //SortingSettings - This struct describes the methods to sort objects during rendering. var ds = new DrawingSettings( new ShaderTagId( "Opaque" ), new SortingSettings(Camera.main)); ds.enableInstancing = true ; //what kind of per-object data to setup during rendering. pass lightprobe and lightmap data to each renderer ds.perObjectData = PerObjectData.LightProbe | PerObjectData.Lightmaps; ``` 创建一个DrawingSettings对象，并设置这个对象的一些属性。 在完成上面的两个步骤后就可以进行绘制了 #### Free Camera 添加一个Free Camera组件，可以让摄像机通过键盘和鼠标进行简单的的移动，在Play Mode下进行移动和旋转。 #### Camera Switcher Camera Switcher组件可以定义一系列相机，然后在Play Mode中通过Debug Window在这些相机之间进行切换。 ### 2.3 Unity 渲染管线框架 Build-In Render 内置渲染器（默认）兼容太多，反而不能面面俱到，效果不好 Scriptable Render Pipline 可编程渲染管线技术，是Unity提供的新渲染系统，可用C#脚本定制Unity的渲染过程，但自己定制渲染管线对编程要求很高，难度大，所以Unity提供里2个预制的管线，基本上涵盖了我们所有的需求，使用时不需要太底层的技术要求！ High Definition Render Pipeline (HDRP): 高分辨率渲染管线，适用于PC或主机上的AAA级别游戏，同时支持Forward and Deferred 渲染。专注于高端图形渲染，针对高端硬件配置，像PC、XBox 和Playstation，其面向高逼真度的游戏、图形demo和建筑渲染、超写实效果，以及所需的最佳图形效果。同时针对高端图形处理时，它要比内置渲染器要快得多，但如果用来做low poly风格的作品就有点杀鸡用牛刀了，纯属浪费资源和时间；但要想得到完成利用HDRP的完美表现能力，需要大量的贴图，漫反射贴图、高光贴图、金属贴图、平滑贴图、AO贴图、法线贴图、凹凸贴图、高度贴图…So,要做HDRP流程需要非常长的时间和庞大的制作团队，还有充足的预算！建议5人以下的小团队慎入！ Universal Render Pipleline 通用管线流程（URP前身为Lightweight Render Pipeline — LWRP轻量级渲染管线），专注于性能，适用于移动端，URP是选了不会错的渲染管线，它被设计为能够在任何平台上都能提供最好的性能，所以除非有特殊需求只能在HDRP或者SRP解决的，其他都应该选择URP，不管是移动端、主机、PC等，URP都能提供高性能的渲染，目前URP能做的也非常多，它拥有很多HDRP相同的功能，但为了在所有平台达到更好的性能，其做了一定的缩减，但这并不意味着URP做不出漂亮的游戏； LWRP使用Forward渲染。LWRP使用LWRP和LWRP-VR两种模板。LWRP同样使用自己的Shader，与Unity内置shader不兼容。 这两个内置管线都以package包的形式发布，都包含了Shader Graph编辑器和Post Processing后处理器。 > 总之 > > > - Build-In Render Pipeline内置渲染管线是Unity提供的固定的、不可编程控制的原始的渲染管线； > - SRP是Unity提供的，一种渲染管线的实现方案——用户可以用C#编程控制渲染过程 > - HDRP和URP是Unity基于SRP的方式，提供的两种渲染管线的框架，是SRP实现的两种方案 #### URP HDRP区别 这两种管线流程都利用里Unity新的可编程渲染管线技术，Unity正在把他们变成新的标准，shader graph，visual effect graph这些新功能都是他们的专属，这两个都是创作shader和粒子特效很棒的工具，也支持VR，不过HDRP做逼真风格的VR性能要求非常高！因为Unity实际上把所有东西渲染2次（因为有两个镜头），所以延迟渲染现在只有HDRP支持，不过对URP的支持官方已经在路上。 两者最大的区别是对光照的支持，HDRP提供高级和丰富的光照功能，比如实时全局光照（RealTime GI），能够模拟光线反射、体积光、能模拟光穿过空气中的粒子，还有重头戏的光线跟踪，一种新的光线反射和阴影渲染技术，其原理是跟踪光线在场景中放射的路径，模拟光线在真实世界里与物体交互的效果，这技术对硬件性能非常高，但能产生非常逼真的效果，可以直接用来做电影级别的预渲染作品。 > **Global Illumination**（全局光照，缩写GI），是3D计算机图形中使用的一组算法通用名称，旨在为3D场景添加更逼真的照明效果。 另外一个区别是Shader，HDRP提供一系列高端的shader特效，例如高度、细节和parallax Maps，分别用于纹理的位移、细节和深度模拟，它还支持子面散射，用于模拟光线穿过很薄的物体，比如皮肤和衣物，它提供了高级的shader，像是stacklit，能够让你同时使用多个材质的属性，比如子面散射、彩虹色、各向异性和模糊参数化。 对于后处理效果，两者不相伯仲，HDRP独占的最重要效果，包括AO（环境光遮蔽）、自动曝光（模拟人眼适应不同光线条件的能力）、屏幕空间反射（模拟基于屏幕上可见物体的反射）；URP的AO支持已经在做了，但好东西不是都在HDRP，2D光照和阴影就是URP独占的，所以如果你在做2D游戏，就选URP！ 另外两个管线都支持一个很Cool的特效—相机堆叠，让你能够同时用多个相机渲染。 ## 3 总结 ![assets/0001 - SRP__68747470733a2f2f692e696d6775722e636f6d2f55426b643353582e706e67.png](/media/58afbcc04b2641ae802b.png) ## 4 Ref （SRP翻译系列汇总）