URP渲染管线初步解析

由 demi 提交于周四, 31 十二月 2020 - 14:29

URP渲染管线初步解析

LWRP现在在unity2019已经成为默认的管线了，并更名为URP（通用渲染管线），替代了原来的builtin管线，以下是应用阶段的渲染流程顺序。

步骤分析

URP整个渲染的主入口在UniversalRenderPipeline，他继承的RenderPipeline，是rsp的渲染流程关键类

PipelineSettings：这里会获取UniversalRenderPipelineAsset（也就是我们外部传入的管线的参数）

ScriptableRenderer：srp渲染器，需要把UniversalRenderPipelineAsset传给他。他是渲染核心，他会收集所有当前帧要渲染的pass，以及他会拥有渲染相关的灯光和后处理等执行方法。

PerFrameBuffer：每帧设置的缓存数据

_GlossyEnvironmentColor：主要用于PBR这块的全局光照的颜色，在Lighting.hlsl的GlossyEnvironmentReflection，可以看到他主要是全局光照的高光部分颜色。

_SubtractiveShadowColor：主要用在除了主光源外的lightmap计算的阴影颜色。在SubtractDirectMainLightFromLightmap里使用。

PerCameraBuffer：每帧摄像机的缓存数据

_InvCameraViewProj：视图空间到投影空间的转置矩阵，如果用原始矩阵乘以反向矩阵结果为identity矩阵。如果一些矩阵以一个特定的方式变换向量，反向矩阵可以将他们变换回去。例如worldToLoclaMatrix和localToWorldMatrix是互逆的。

_ScaledScreenParams：屏幕缩放参数

antiAliasing：从asset中获取msaaSampleCount

Shader.globalRenderPipeline = " UniversalPipeline ";设置全局管线为UniversalPipeline

lightsDelegate:全局光照的回调

执行到Render中执行具体渲染流程：

SetupPerFrameShaderConstants：设置全局光照的数据，设置PerFrameBuffer中的_GlossyEnvironmentColor和_SubtractiveShadowColor。

其中_GlossyEnvironmentColor是通过球形谐波方程决定颜色的，最后要转到当前颜色空间（gamma空间或线性空间）

_SubtractiveShadowColor则是直接赋值具体的除去主光源后的阴影颜色，只是也有最后转到当前颜色空间的转换。

对当前Render给过来当前有哪些相机渲染的数据来进行每个相机的渲染RenderSingleCamera。
每个相机中的渲染步骤如下：

CullResults.GetCullingParameters：获取相机下的裁剪参数，如果返回false说明没有聂荣，不需要渲染这个相机。如果需要考虑到类似vr等情况需要区分左右眼的摄像机时需要把stereoAware设置为true。

CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get(k_RenderCameraTag)：这里从命令缓存池中获取一个gl命令缓存，CommandBuffer主要用于收集一系列gl指令，然后之后执行。

ProfilingSample是对指定名字做性能采样。

InitializeCameraData：初始化摄像机数据。

cameraData.msaaSamples：如果数量大于1说明需要多重采样。

cameraData.isSceneViewCamera：这个是查看当前要渲染的是否在unity的scene视图。

cameraData.isOffscreenRender：屏幕外渲染，如果摄像机的targettexture存在并且不是scene视图则这个为true。

cameraData.isStereoEnabled：就是左右眼做区别的摄像机，用于vr等

cameraData.isHdrEnabled：是否支持hdr，也就是高动态范围图像，就是可以在高光情况下能看清一些光照细节，提高细节渲染。

cameraData.postProcessLayer：后处理

cameraData.postProcessEnabled：是否开启后处理

cameraData.renderScale：渲染缩放比例

cameraData.opaqueTextureDownsampling：降采样

cameraData.isDefaultViewport：如果是正常的（0，0，1，1）则是默认的

cameraData.maxShadowDistance：最大阴影范围

cameraData.requiresDepthTexture：是否启用深度纹理

cameraData.requiresOpaqueTexture：是否保存非透明颜色信息

cameraData.defaultOpaqueSortFlags：默认的非透明渲染顺序

SetupPerCameraShaderConstants

PerCameraBuffer._ScaledScreenParams：是一个vector4，包括相机像素的长宽和纹素

PerCameraBuffer._InvCameraViewProj：设置摄像机视角的逆矩阵，通过GL.GetGPUProjectionMatrix获取到当前gpu正确坐标系的投影矩阵，再跟camera.worldToCameraMatrix视图矩阵相乘得到视图到投影的矩阵，再用Matrix4x4.Inverse获取逆矩阵。

cullingParameters.shadowDistance：设置阴影距离，这里会根据摄像机最远渲染距离来获得最远可达到的距离。

ScriptableRenderContext.ExecuteCommandBuffer(cmd)：执行命令缓存

cmd.Clear();清除缓存数据

CullResults.Cull：根据裁剪的参数cullingParameters和context指定的渲染指令得到裁剪的灯光，物体等。

InitializeRenderingData：初始化渲染相关数据

GetMainLight：获取主光源，如果是直线光并且mainLightRenderingMode不为LightRenderingMode.PerPixel就是主光源。

mainLightCastShadows：如果可见光存在而且阴影设置存在则为true。

additionalLightsCastShadows：如果additionalLightsRenderingMode是LightRenderingMode.PerPixel并且可见光存在并且lightType是LightType.Spot且阴影存在则为true。

InitializeLightData：初始化灯光数据，这里设置了mainLightIndex（也就是GetMainLight获取的），设置additionalLightsCount获取叠加光源的数量，maxPerObjectAdditionalLightsCount最大叠加光源数量，shadeAdditionalLightsPerVertex就是是否是叠加光源，visibleLights可视光源，supportsMixedLighting支持混合光源。

InitializeShadowData：初始化阴影数据，如果有多光源会添加LWRPAdditionalLightData到光源的gameobject上，m_ShadowBiasData会设置阴影偏移和阴影发现偏移，主要用于解决自阴影的问题。

supportsMainLightShadows支持主光源阴影。

mainLightShadowCascadesCount是阴影的级联个数，（mainLightShadowmapWidth、mainLightShadowmapHeight）主光源阴影贴图的宽高。

mainLightShadowCascadesSplit是阴影的级联分割，supportsAdditionalLightShadows是否支持多光源阴影。

additionalLightsShadowmapWidth、additionalLightsShadowmapHeight是多光源阴影贴图的宽和高都是additionalLightsShadowmapResolution。

supportsSoftShadows支持软阴影。

supportsDynamicBatching：是否支持动态批处理，这个是lwrp的动态批处理。

设置完渲染数据后就是开始设置渲染的顺序了：

renderer.Clear()：再设置之前需要清理renderer的数据，不然前一帧渲染的dc是不会清掉的，dc就会越来越高。

setupToUse.Setup(renderer, ref renderingData)：默认lwrp是用DefaultRendererSetup来设置的，当然你也可以实现IRendererSetup然后传入Render来自己实现。

DefaultRendererSetup：lwrp默认会有一系列渲染过程。会再Setup中确定渲染的先后。

SetupPerObjectLightIndices设置每个对象光照信息。

CreateRenderTextureDescriptor创建rt数据信息。

GetCameraClearFlag获取当前摄像机清理方式，lwrp对这层做了一些处理，主要是对深度剔除做了一些选项

如果是渲染到纹理则用CreateLightweightRenderTexturesPass这个pass执行一次渲染。

如果有渲染前要执行的pass要实现IBeforeRender接口，并且可以多个pass。

如果支持主光源阴影投放则执行MainLightShadowCasterPass的pass。

如果支持多光源阴影投放则执行AdditionalLightsShadowCasterPass。

之后执行SetupForwardRenderingPass，这个pass是必然执行的，设置摄像机到context里。

如果支持深度贴图获取的话会执行DepthOnlyPass（requiresDepthPrepass决定是否执行他），这里会用一个rt保存深度贴图新消息。

如果支持屏幕空间阴影获取，则会执行ScreenSpaceShadowResolvePass，这里会用一个rt记录屏幕空间中的阴影贴图。

然后执行SetupLightweightConstanstPass，主要设置主光源和其他光源的颜色，位置以及其他属性。如果不设置则会是默认颜色和位置等信息。

然后执行RenderOpaqueForwardPass，这个pass定义了两个pass名，LightweightForward和SRPDefaultUnlit。然后再Execute申请cmd来做不透明渲染。

如果支持后处理则会执行OpaquePostProcessPass，里面是申请一个临时rt做相关不透明的后处理。

如果是相机是天空盒清除方式的话并且天空盒不是空的话则执行DrawSkyboxPass，里面会绘制天空盒。

如果需要天空盒处理之后执行的话需要继承IAfterSkyboxPass实现相关pass。

如果是支持深度贴图的话并且没有执行requiresDepthPrepass的话（就是前面执行DepthOnlyPass的判断）则会执行CopyDepthPass，这里主要是拷贝深度贴图到全局变量_CameraDepthAttachment中，shader可以直接获取这个变量（如果有开深度贴图获取）

如果开启了接收不透明贴图的话则执行CopyColorPass，这里主要是把不透明渲染后的颜色输出到临时rt中。

然后执行RenderTransparentForwardPass，透明渲染方式。

如果支持后处理则执行TransparentPostProcessPass，也是一样申请一个临时rt做相关透明渲染的后处理。如果不需要并且不支持屏幕外渲染并且不是渲染到纹理的则要执行FinalBlitPass，这里主要设置贴图到全局变量_BlitTex，然后把颜色blit到内置rt中。

然后如果摄像机有IAfterRender的mono则会执行pass中的GetPassToEnqueue方法。

最后还会有一个EndXRRenderingPass的渲染，这个是支持立体摄像机的情况下执行的，主要是停止立体摄像机渲染。

然后再到外面renderer.Execute(context, ref renderingData);也就是把所有pass都执行一次。（前面只是加入到列表中，并没有执行每个pass的execute）

最后需要context.Submit来提交渲染，这时相应的gpu才会根据cmd来执行所有的pass。

源码分析

渲染前阶段：

根据渲染资产初始化渲染管线

<pre> public UniversalRenderPipeline(UniversalRenderPipelineAsset asset)
{
SetSupportedRenderingFeatures(); //设置渲染支持功能
//PerFrameBuffer类中的参数指定
PerFrameBuffer._GlossyEnvironmentColor = Shader.PropertyToID("_GlossyEnvironmentColor");
PerFrameBuffer._SubtractiveShadowColor = Shader.PropertyToID("_SubtractiveShadowColor");
PerFrameBuffer._Time = Shader.PropertyToID("_Time");
PerFrameBuffer._SinTime = Shader.PropertyToID("_SinTime");
PerFrameBuffer._CosTime = Shader.PropertyToID("_CosTime");
PerFrameBuffer.unity_DeltaTime = Shader.PropertyToID("unity_DeltaTime");
PerFrameBuffer._TimeParameters = Shader.PropertyToID("_TimeParameters");
PerCameraBuffer._InvCameraViewProj = Shader.PropertyToID("_InvCameraViewProj");
PerCameraBuffer._ScreenParams = Shader.PropertyToID("_ScreenParams");
PerCameraBuffer._ScaledScreenParams = Shader.PropertyToID("_ScaledScreenParams");
PerCameraBuffer._WorldSpaceCameraPos = Shader.PropertyToID("_WorldSpaceCameraPos");
// Let engine know we have MSAA on for cases where we support MSAA backbuffer
if (QualitySettings.antiAliasing != asset.msaaSampleCount) //设置多重采样抗锯齿
QualitySettings.antiAliasing = asset.msaaSampleCount;
// For compatibility reasons we also match old LightweightPipeline tag.
Shader.globalRenderPipeline = "UniversalPipeline,LightweightPipeline"; //设置渲染管线
Lightmapping.SetDelegate(lightsDelegate);
CameraCaptureBridge.enabled = true;
RenderingUtils.ClearSystemInfoCache();
}
</pre>

渲染阶段

1. 开始帧渲染

<pre>BeginFrameRendering(renderContext, cameras); //开始帧渲染
</pre>

2. 判断色彩空间是否为线性空间

<pre>GraphicsSettings.lightsUseLinearIntensity = (QualitySettings.activeColorSpace == ColorSpace.Linear); //色彩空间是否是线性空间
</pre>

3. 设置资产中的Batcher

<pre>GraphicsSettings.useScriptableRenderPipelineBatching = asset.useSRPBatcher; //设置资产中的Batcher
</pre>

4. 设置每帧shader参数

<pre>SetupPerFrameShaderConstants(); //设置帧着色器常量
</pre>

5. 排序相机

<pre>SortCameras(cameras); //排序相机
</pre>

6. 遍历相机/开始相机渲染/渲染单个相机/结束相机渲染

<pre>foreach (Camera camera in cameras) //遍历相机
{
BeginCameraRendering(renderContext, camera); //开始相机渲染
#if VISUAL_EFFECT_GRAPH_0_0_1_OR_NEWER
//It should be called before culling to prepare material. When there isn't any VisualEffect component, this method has no effect.
VFX.VFXManager.PrepareCamera(camera);
#endif
RenderSingleCamera(renderContext, camera); //渲染单个相机
EndCameraRendering(renderContext, camera); //结束相机渲染
}
</pre>

7. 结束帧渲染

<pre>EndFrameRendering(renderContext, cameras); //结束帧渲染
</pre>

渲染单个相机流程（RenderSingleCamera）

源码分析

1. 初始化剔除参数

<pre>if (!camera.TryGetCullingParameters(IsStereoEnabled(camera), out var cullingParameters)) //初始化剔除参数
return;
</pre>

2. 获取UniversalAdditionCameraData

<pre>UniversalAdditionalCameraData additionalCameraData = null;
if (camera.cameraType == CameraType.Game || camera.cameraType == CameraType.VR)
camera.gameObject.TryGetComponent(out additionalCameraData);
</pre>

3. 初始化CameraData，InitializeCameraData方法

<pre>InitializeCameraData(settings, camera, additionalCameraData, out var cameraData);
</pre>

4. 设置每个相机的shader参数

<pre>SetupPerCameraShaderConstants(cameraData);
</pre>

SetupPerCameraShaderConstants方法：

<pre>//设置每个相机的shader参数
static void SetupPerCameraShaderConstants(CameraData cameraData)
{
Camera camera = cameraData.camera;
float scaledCameraWidth = (float)cameraData.camera.pixelWidth * cameraData.renderScale;
float scaledCameraHeight = (float)cameraData.camera.pixelHeight * cameraData.renderScale;
Shader.SetGlobalVector(PerCameraBuffer._ScaledScreenParams, new Vector4(scaledCameraWidth, scaledCameraHeight, 1.0f + 1.0f / scaledCameraWidth, 1.0f + 1.0f / scaledCameraHeight));
Shader.SetGlobalVector(PerCameraBuffer._WorldSpaceCameraPos, camera.transform.position);
float cameraWidth = (float)cameraData.camera.pixelWidth;
float cameraHeight = (float)cameraData.camera.pixelHeight;
Shader.SetGlobalVector(PerCameraBuffer._ScreenParams, new Vector4(cameraWidth, cameraHeight, 1.0f + 1.0f / cameraWidth, 1.0f + 1.0f / cameraHeight));
Matrix4x4 projMatrix = GL.GetGPUProjectionMatrix(camera.projectionMatrix, false);
Matrix4x4 viewMatrix = camera.worldToCameraMatrix;
Matrix4x4 viewProjMatrix = projMatrix * viewMatrix;
Matrix4x4 invViewProjMatrix = Matrix4x4.Inverse(viewProjMatrix);
Shader.SetGlobalMatrix(PerCameraBuffer._InvCameraViewProj, invViewProjMatrix);
}
</pre>

5. 获取ScriptableRenderer

<pre>ScriptableRenderer renderer = (additionalCameraData != null) ? additionalCameraData.scriptableRenderer : settings.scriptableRenderer;
</pre>

6. 填充剔除参数、CameraData

<pre>renderer.SetupCullingParameters(ref cullingParameters, ref cameraData);
</pre>

7. 性能采样

<pre>context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
</pre>

8. 编辑器模式下Scene相机额外显示UI

<pre>#if UNITY_EDITOR
// Emit scene view UI 编辑器模式下Scene相机额外显示UI
if (cameraData.isSceneViewCamera)
ScriptableRenderContext.EmitWorldGeometryForSceneView(camer);
#endif
</pre>

9. 剔除

<pre>var cullResults = context.Cull(ref cullingParameters); //剔除
</pre>

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

<pre>InitializeRenderingData(settings, ref cameraData, ref cullResults, out var renderingData);
</pre>

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

<pre>renderer.Setup(context, ref renderingData);
renderer.Execute(context, ref renderingData);
</pre>

12. 释放CommandBufferPool

<pre>CommandBufferPool.Release(cmd);
</pre>

13. 提交渲染上下文

<pre>context.Submit();
</pre>

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