URP渲染管線初步解析

URP渲染管線初步解析

LWRP現(xiàn)在在unity2019已經(jīng)成為默認(rèn)的管線了，并更名為URP（通用渲染管線），替代了原來的builtin管線，以下是應(yīng)用階段的渲染流程順序。

步驟分析

URP整個渲染的主入口在UniversalRenderPipeline，他繼承的RenderPipeline，是rsp的渲染流程關(guān)鍵類

PipelineSettings：這里會獲取UniversalRenderPipelineAsset（也就是我們外部傳入的管線的參數(shù)）

ScriptableRenderer：srp渲染器，需要把UniversalRenderPipelineAsset傳給他。他是渲染核心，他會收集所有當(dāng)前幀要渲染的pass，以及他會擁有渲染相關(guān)的燈光和后處理等執(zhí)行方法。

PerFrameBuffer：每幀設(shè)置的緩存數(shù)據(jù)

_GlossyEnvironmentColor：主要用于PBR這塊的全局光照的顏色，在Lighting.hlsl的GlossyEnvironmentReflection，可以看到他主要是全局光照的高光部分顏色。

_SubtractiveShadowColor：主要用在除了主光源外的lightmap計算的陰影顏色。在SubtractDirectMainLightFromLightmap里使用。

PerCameraBuffer：每幀攝像機(jī)的緩存數(shù)據(jù)

_InvCameraViewProj：視圖空間到投影空間的轉(zhuǎn)置矩陣，如果用原始矩陣乘以反向矩陣結(jié)果為identity矩陣。如果一些矩陣以一個特定的方式變換向量，反向矩陣可以將他們變換回去。例如worldToLoclaMatrix和localToWorldMatrix是互逆的。

_ScaledScreenParams：屏幕縮放參數(shù)

antiAliasing：從asset中獲取msaaSampleCount

Shader.globalRenderPipeline = " UniversalPipeline ";設(shè)置全局管線為UniversalPipeline

lightsDelegate:全局光照的回調(diào)

執(zhí)行到Render中執(zhí)行具體渲染流程：

SetupPerFrameShaderConstants：設(shè)置全局光照的數(shù)據(jù)，設(shè)置PerFrameBuffer中的_GlossyEnvironmentColor和_SubtractiveShadowColor。

其中_GlossyEnvironmentColor是通過球形諧波方程決定顏色的，最后要轉(zhuǎn)到當(dāng)前顏色空間（gamma空間或線性空間）

_SubtractiveShadowColor則是直接賦值具體的除去主光源后的陰影顏色，只是也有最后轉(zhuǎn)到當(dāng)前顏色空間的轉(zhuǎn)換。

對當(dāng)前Render給過來當(dāng)前有哪些相機(jī)渲染的數(shù)據(jù)來進(jìn)行每個相機(jī)的渲染RenderSingleCamera。
每個相機(jī)中的渲染步驟如下：

CullResults.GetCullingParameters：獲取相機(jī)下的裁剪參數(shù)，如果返回false說明沒有聶榮，不需要渲染這個相機(jī)。如果需要考慮到類似vr等情況需要區(qū)分左右眼的攝像機(jī)時需要把stereoAware設(shè)置為true。

CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get(k_RenderCameraTag)：這里從命令緩存池中獲取一個gl命令緩存，CommandBuffer主要用于收集一系列g(shù)l指令，然后之后執(zhí)行。

ProfilingSample是對指定名字做性能采樣。

InitializeCameraData：初始化攝像機(jī)數(shù)據(jù)。

cameraData.msaaSamples：如果數(shù)量大于1說明需要多重采樣。

cameraData.isSceneViewCamera：這個是查看當(dāng)前要渲染的是否在unity的scene視圖。

cameraData.isOffscreenRender：屏幕外渲染，如果攝像機(jī)的targettexture存在并且不是scene視圖則這個為true。

cameraData.isStereoEnabled：就是左右眼做區(qū)別的攝像機(jī)，用于vr等

cameraData.isHdrEnabled：是否支持hdr，也就是高動態(tài)范圍圖像，就是可以在高光情況下能看清一些光照細(xì)節(jié)，提高細(xì)節(jié)渲染。

cameraData.postProcessLayer：后處理

cameraData.postProcessEnabled：是否開啟后處理

cameraData.renderScale：渲染縮放比例

cameraData.opaqueTextureDownsampling：降采樣

cameraData.isDefaultViewport：如果是正常的（0，0，1，1）則是默認(rèn)的

cameraData.maxShadowDistance：最大陰影范圍

cameraData.requiresDepthTexture：是否啟用深度紋理

cameraData.requiresOpaqueTexture：是否保存非透明顏色信息

cameraData.defaultOpaqueSortFlags：默認(rèn)的非透明渲染順序

SetupPerCameraShaderConstants

PerCameraBuffer._ScaledScreenParams：是一個vector4，包括相機(jī)像素的長寬和紋素

PerCameraBuffer._InvCameraViewProj：設(shè)置攝像機(jī)視角的逆矩陣，通過GL.GetGPUProjectionMatrix獲取到當(dāng)前gpu正確坐標(biāo)系的投影矩陣，再跟camera.worldToCameraMatrix視圖矩陣相乘得到視圖到投影的矩陣，再用Matrix4x4.Inverse獲取逆矩陣。

cullingParameters.shadowDistance：設(shè)置陰影距離，這里會根據(jù)攝像機(jī)最遠(yuǎn)渲染距離來獲得最遠(yuǎn)可達(dá)到的距離。

ScriptableRenderContext.ExecuteCommandBuffer(cmd)：執(zhí)行命令緩存

cmd.Clear();清除緩存數(shù)據(jù)

CullResults.Cull：根據(jù)裁剪的參數(shù)cullingParameters和context指定的渲染指令得到裁剪的燈光，物體等。

InitializeRenderingData：初始化渲染相關(guān)數(shù)據(jù)

GetMainLight：獲取主光源，如果是直線光并且mainLightRenderingMode不為LightRenderingMode.PerPixel就是主光源。

mainLightCastShadows：如果可見光存在而且陰影設(shè)置存在則為true。

additionalLightsCastShadows：如果additionalLightsRenderingMode是LightRenderingMode.PerPixel并且可見光存在并且lightType是LightType.Spot且陰影存在則為true。

InitializeLightData：初始化燈光數(shù)據(jù)，這里設(shè)置了mainLightIndex（也就是GetMainLight獲取的），設(shè)置additionalLightsCount獲取疊加光源的數(shù)量，maxPerObjectAdditionalLightsCount最大疊加光源數(shù)量，shadeAdditionalLightsPerVertex就是是否是疊加光源，visibleLights可視光源，supportsMixedLighting支持混合光源。

InitializeShadowData：初始化陰影數(shù)據(jù)，如果有多光源會添加LWRPAdditionalLightData到光源的gameobject上，m_ShadowBiasData會設(shè)置陰影偏移和陰影發(fā)現(xiàn)偏移，主要用于解決自陰影的問題。

supportsMainLightShadows支持主光源陰影 。

mainLightShadowCascadesCount是陰影的級聯(lián)個數(shù)，（mainLightShadowmapWidth、mainLightShadowmapHeight）主光源陰影貼圖的寬高。

mainLightShadowCascadesSplit是陰影的級聯(lián)分割，supportsAdditionalLightShadows是否支持多光源陰影。

additionalLightsShadowmapWidth、additionalLightsShadowmapHeight是多光源陰影貼圖的寬和高都是additionalLightsShadowmapResolution。

supportsSoftShadows支持軟陰影。

supportsDynamicBatching：是否支持動態(tài)批處理，這個是lwrp的動態(tài)批處理。

設(shè)置完渲染數(shù)據(jù)后就是開始設(shè)置渲染的順序了：

renderer.Clear()：再設(shè)置之前需要清理renderer的數(shù)據(jù)，不然前一幀渲染的dc是不會清掉的，dc就會越來越高。

setupToUse.Setup(renderer, ref renderingData)：默認(rèn)lwrp是用DefaultRendererSetup來設(shè)置的，當(dāng)然你也可以實現(xiàn)IRendererSetup然后傳入Render來自己實現(xiàn)。

DefaultRendererSetup：lwrp默認(rèn)會有一系列渲染過程。會再Setup中確定渲染的先后。

SetupPerObjectLightIndices設(shè)置每個對象光照信息。

CreateRenderTextureDescriptor創(chuàng)建rt數(shù)據(jù)信息。

GetCameraClearFlag獲取當(dāng)前攝像機(jī)清理方式，lwrp對這層做了一些處理，主要是對深度剔除做了一些選項

如果是渲染到紋理則用CreateLightweightRenderTexturesPass這個pass執(zhí)行一次渲染。

如果有渲染前要執(zhí)行的pass要實現(xiàn)IBeforeRender接口，并且可以多個pass。

如果支持主光源陰影投放則執(zhí)行MainLightShadowCasterPass的pass。

如果支持多光源陰影投放則執(zhí)行AdditionalLightsShadowCasterPass。

之后執(zhí)行SetupForwardRenderingPass，這個pass是必然執(zhí)行的，設(shè)置攝像機(jī)到context里。

如果支持深度貼圖獲取的話會執(zhí)行DepthOnlyPass（requiresDepthPrepass決定是否執(zhí)行他），這里會用一個rt保存深度貼圖新消息。

如果支持屏幕空間陰影獲取，則會執(zhí)行ScreenSpaceShadowResolvePass，這里會用一個rt記錄屏幕空間中的陰影貼圖。

然后執(zhí)行SetupLightweightConstanstPass，主要設(shè)置主光源和其他光源的顏色，位置以及其他屬性。如果不設(shè)置則會是默認(rèn)顏色和位置等信息。

然后執(zhí)行RenderOpaqueForwardPass，這個pass定義了兩個pass名，LightweightForward和SRPDefaultUnlit。然后再Execute申請cmd來做不透明渲染。

如果支持后處理則會執(zhí)行OpaquePostProcessPass，里面是申請一個臨時rt做相關(guān)不透明的后處理。

如果是相機(jī)是天空盒清除方式的話并且天空盒不是空的話則執(zhí)行DrawSkyboxPass，里面會繪制天空盒。

如果需要天空盒處理之后執(zhí)行的話需要繼承IAfterSkyboxPass實現(xiàn)相關(guān)pass。

如果是支持深度貼圖的話并且沒有執(zhí)行requiresDepthPrepass的話（就是前面執(zhí)行DepthOnlyPass的判斷）則會執(zhí)行CopyDepthPass，這里主要是拷貝深度貼圖到全局變量_CameraDepthAttachment中，shader可以直接獲取這個變量（如果有開深度貼圖獲取）

如果開啟了接收不透明貼圖的話則執(zhí)行CopyColorPass，這里主要是把不透明渲染后的顏色輸出到臨時rt中。

然后執(zhí)行RenderTransparentForwardPass，透明渲染方式。

如果支持后處理則執(zhí)行TransparentPostProcessPass，也是一樣申請一個臨時rt做相關(guān)透明渲染的后處理。如果不需要并且不支持屏幕外渲染并且不是渲染到紋理的則要執(zhí)行FinalBlitPass，這里主要設(shè)置貼圖到全局變量_BlitTex，然后把顏色blit到內(nèi)置rt中。

然后如果攝像機(jī)有IAfterRender的mono則會執(zhí)行pass中的GetPassToEnqueue方法。

最后還會有一個EndXRRenderingPass的渲染，這個是支持立體攝像機(jī)的情況下執(zhí)行的，主要是停止立體攝像機(jī)渲染。

然后再到外面renderer.Execute(context, ref renderingData);也就是把所有pass都執(zhí)行一次。（前面只是加入到列表中，并沒有執(zhí)行每個pass的execute）

最后需要context.Submit來提交渲染，這時相應(yīng)的gpu才會根據(jù)cmd來執(zhí)行所有的pass。

源碼分析

渲染前階段：

根據(jù)渲染資產(chǎn)初始化渲染管線

      public UniversalRenderPipeline(UniversalRenderPipelineAsset asset)              {            SetSupportedRenderingFeatures();    //設(shè)置渲染支持功能            //PerFrameBuffer類中的參數(shù)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)      //設(shè)置多重采樣抗鋸齒                QualitySettings.antiAliasing = asset.msaaSampleCount;            // For compatibility reasons we also match old LightweightPipeline tag.            Shader.globalRenderPipeline = "UniversalPipeline,LightweightPipeline";  //設(shè)置渲染管線            Lightmapping.SetDelegate(lightsDelegate);             CameraCaptureBridge.enabled = true;            RenderingUtils.ClearSystemInfoCache();        }

渲染階段

1. 開始幀渲染

BeginFrameRendering(renderContext, cameras);    //開始幀渲染

2. 判斷色彩空間是否為線性空間

GraphicsSettings.lightsUseLinearIntensity = (QualitySettings.activeColorSpace == ColorSpace.Linear);    //色彩空間是否是線性空間

3. 設(shè)置資產(chǎn)中的Batcher

GraphicsSettings.useScriptableRenderPipelineBatching = asset.useSRPBatcher; //設(shè)置資產(chǎn)中的Batcher

4. 設(shè)置每幀shader參數(shù)

SetupPerFrameShaderConstants(); //設(shè)置幀著色器常量

5. 排序相機(jī)

SortCameras(cameras);   //排序相機(jī)

6. 遍歷相機(jī)/開始相機(jī)渲染/渲染單個相機(jī)/結(jié)束相機(jī)渲染

foreach (Camera camera in cameras)      //遍歷相機(jī){   BeginCameraRendering(renderContext, camera);    //開始相機(jī)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);  //渲染單個相機(jī)         EndCameraRendering(renderContext, camera);  //結(jié)束相機(jī)渲染 }

7. 結(jié)束幀渲染

EndFrameRendering(renderContext, cameras);  //結(jié)束幀渲染

渲染單個相機(jī)流程（RenderSingleCamera）

源碼分析

1. 初始化剔除參數(shù)

if (!camera.TryGetCullingParameters(IsStereoEnabled(camera), out var cullingParameters))    //初始化剔除參數(shù)return;

2. 獲取UniversalAdditionCameraData

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

3. 初始化CameraData，InitializeCameraData方法

InitializeCameraData(settings, camera, additionalCameraData, out var cameraData);

4. 設(shè)置每個相機(jī)的shader參數(shù)

SetupPerCameraShaderConstants(cameraData);

SetupPerCameraShaderConstants方法：

//設(shè)置每個相機(jī)的shader參數(shù)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);        }

5. 獲取ScriptableRenderer

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

6. 填充剔除參數(shù)、CameraData

renderer.SetupCullingParameters(ref cullingParameters, ref cameraData);

7. 性能采樣

context.ExecuteCommandBuffer(cmd);

8. 編輯器模式下Scene相機(jī)額外顯示UI

#if UNITY_EDITOR// Emit scene view UI       編輯器模式下Scene相機(jī)額外顯示UIif (cameraData.isSceneViewCamera)ScriptableRenderContext.EmitWorldGeometryForSceneView(camer);#endif

9. 剔除

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

10. 根據(jù)管線設(shè)置、CameraData、剔除結(jié)果，初始化渲染數(shù)據(jù)RenderingData

InitializeRenderingData(settings, ref cameraData, ref cullResults, out var renderingData);

11. 使用ScriptableRenderer根據(jù)RenderingData，Setup并Exute渲染上下文

renderer.Setup(context, ref renderingData);renderer.Execute(context, ref renderingData);

12. 釋放CommandBufferPool

CommandBufferPool.Release(cmd);

13. 提交渲染上下文

context.Submit();

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