unity SRP

作者aolixin

— 敖立鑫

2023.10.18开始，工程放在：github

Custom Render Pipeline (catlikecoding.com) — 基于这个教程

srp渲染流程

  • 渲染流程
    • 创建commandBuffer
    • 用buffer执行命令（配置buffer）如:buffer.ClearRenderTarget(true, true, Color.clear);
    • 用context（上下文）执行buffer
    • 清除buffer
  • context
    • 可以直接执行一些命令如context.DrawSkybox(camera);
    • 也可以执行commandBuffer

drawingSettings

  • 里面有一些渲染设置
    • 渲染排序设置（SortingSettings）：
      • 可以设置渲染对象的排序方式，以控制绘制顺序，包括前向渲染（Forward Rendering）和透明对象的排序。
      • 你可以定义绘制对象的排序层级、渲染队列、渲染模式等。
    • 着色器通道设置（ShaderPassName）：
      • 可以指定要使用的着色器通道，以定义如何渲染对象。
      • 这包括了渲染效果、材质属性、着色器功能等。
    • Override Material（覆盖材质）：
      • 可以指定一个材质来覆盖对象的原始材质，从而实现特定的渲染效果或外观变化。
    • 光照设置（Lighting Settings）：
      • 可以设置是否启用光照，以及如何应用光照。
      • 这包括了是否启用实时阴影、光照模式等。
    • 剔除（Culling）设置：
      • 可以定义剔除设置，包括视锥体剔除、遮挡剔除等，以减少渲染的开销。
    • 渲染队列（Rendering Layer）：
      • 可以指定要渲染的渲染队列，用于将对象分类并在不同阶段渲染
  • 比如：drawingSettings.SetShaderPassName(1, litShaderTagId);
    • 修改着色器通道
    • 感觉类似于 opengl 中的shader.use()

ScriptableCullingParameters

ScriptableCullingParameters 是Unity中的一个类，用于表示和配置裁剪（culling）过程的参数。裁剪是渲染管线中的一个关键步骤，用于确定哪些对象在摄像机的视锥体内可见，以减少不必要的渲染工作。ScriptableCullingParameters 允许你配置裁剪参数，以满足渲染需求。

这个类通常用于与自定义渲染管线（如SRP，Scriptable Render Pipeline）一起使用，以更好地控制渲染过程。以下是一些 ScriptableCullingParameters 类的常见属性和用途：

  • layerFarCullDistances 和 layerCullDistances：这些属性允许你为不同的图层配置远裁剪距离。这是一个优化技巧，可以根据图层将视锥体外的对象排除在渲染之外。
  • cullingPlane 和 cullingPlaneCount：你可以配置自定义裁剪平面，以进一步调整视锥体的形状。这对于创建非标准的裁剪区域非常有用。
  • isOrthographic 和 projectionMatrix：这些属性用于指定摄像机是正交投影还是透视投影，并设置投影矩阵。这对于不同类型的摄像机配置非常重要。
  • layerMask 和 sceneMask：你可以配置要裁剪的图层和场景，以过滤视锥体内的对象。
  • maximumVisibleLights：这个属性用于指定在裁剪期间能够处理的最大可见光源数量。
  • shadowDistance 和 screenSpaceShadowRes：这些属性用于配置阴影渲染的参数，以便在裁剪期间生成阴影。
  • lodBias：这个属性用于指定层次渐进细节（LOD）偏差，以在裁剪期间控制物体的细节级别。

ScriptableCullingParameters 类的实例通常会在渲染管线的裁剪阶段使用，以确定可见对象并将其传递给渲染阶段。这个类允许开发人员在自定义渲染管线中更好地控制裁剪过程，以优化性能和满足特定需求。

srp 中ugui绘制

image-20231018201531240

image-20231018201545395

当render mode是overlay时，ugui渲染不归srp管，把render mode调成camera，并把render target调成 自己的camera，就归管线管了 — 会被归到透明几何体的绘制

image-20231018202044570

unity 批处理 Unity渲染优化的4种批处理

  • 静态批处理
    • 将物体设置为static，静态批处理不一定减少DrawCall，但是会让CPU在“设置渲染状态-提交Draw Call”上更高效
    • 为什么不手动合并mesh，因为假如手动合并，在视锥体剔除时，只要出现一个三角形，那么视锥体剔除就不会剔除掉
    • 条件
      • 使用相同材质引用的静态物体
      • 物体需为Mesh，具有MeshFilter和MeshRenderer组件
      • Mesh 需要在ImportSettings面板勾选【read/write enabled】
  • 动态批处理
  • SRP batcher（相同shader，不同mat）
    • 对于结构相同的shader，可以将数据直接全部存到GPU（CBUFFER），减少状态转换，不能减少draw call
    • 得看RP支不支持，shader需要支持SRP Batcher（HDRP和URP项目的Lit和Unlit shader都支持）
  • GPU Instancing（相同mesh，相同mat）
    • 将实例数据存储到 GPU（UNITY_INSTANCING_BUFFER）
    • GPU Instancing适用于处理大量相同物体，比如建筑物/树/草等重复出现的物体。

SRP batcher

  • cbuffer — hlsl中常量缓冲区 ： 常量数据可以包括变换矩阵、材质属性、光照信息等。
  • 通过 cbuffers 实现srp batcher，将materials各种参数提前存入GPU实现
  • 在shader中定义cbuffers 
    • //材质cbuffer
CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
	float4 _BaseColor;
CBUFFER_END

    • //矩阵buffer
CBUFFER_START(UnityPerDraw)
	float4x4 unity_ObjectToWorld;
	float4x4 unity_WorldToObject;
	real4 unity_WorldTransformParams;
	float4 unity_LODFade;
CBUFFER_END
  • GraphicsSettings.useScriptableRenderPipelineBatching = true;实现绘制统一shader但是不同mat的多个物体

    image-20231020095318248

    右边frame debugger可以看出drawSRPBatcher，

    但是为每个obj添加一个新颜色只能添加一个mat，很不方便，通过脚本修改属性（renderer.SetPropertyBlock(props);）的话又退化成普通draw call

GPU Instancing

GPU Instancing原理)

####　unity 开启 GPU Instancing：

  • build-in管线：standard shader开启GPU Instance选项
  • URP默认不支持
  • 有时候GPU Instancing还是分批渲染，每批有上限 — cbuffer有上限
  • 创建支持GPU Instancing 的 shader
  • 让每个 instance 属性独立 — MaterialPropertyBlock

srp 实现

  • shader部分和上面大差不差
  • 不过srp batcher 和 GPU Instancing不兼容，所以得先删除srp batcher部分代码
Graphics.DrawMeshInstanced(mesh, 0, material, matrices, 1023, block);

srp batcher和 GPU Instancing区别

  • srp batcher（相同shader，不同mat）：传多个mesh ，传一个 block（CBUFFER） ，block里面有每个mat，每个mat用的shader必须是同一个，保证数据格式相同，状态转换不会出错
  • GPU Instancing（相同mesh，相同mat）： 传一个mesh ,传一个block（UNITY_INSTANCING_BUFFER），block有每个不同数据，相同mat，但是不同的
  • 作用范围
    • 多个 shader 可以共用一个 CBUFFER，因为里面存储的光照信息等是全局相同的
    • 但是一般不共用一个 UNITY_INSTANCING_BUFFE，每个 shader 主要用于存储示例数据

Dynamic Batching

srp实现 Dynamic Batching，优先级在srp batcher之下

  • //改变drawingSettings
var drawingSettings = new DrawingSettings(
			unlitShaderTagId, sortingSettings
		) {
			enableDynamicBatching = true,
			enableInstancing = false
		};

SRP 实现Lit shader

// 获取光源方向的反方向
dirLightDirections[index] = -visibleLight.localToWorldMatrix.GetColumn(2);

// 一个 Instancing 缓冲区
UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(UnityPerMaterial)
	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _BaseMap_ST)
	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _BaseColor)

	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float, _Metallic)
	UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float, _Smoothness)

UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(UnityPerMaterial)

实现（一个实现一个文件，有点面向对象的意思）

  • 创建自己的 lightMode
  • 修改 Render 函数
  • 修改 shaderID — drawingSettings.SetShaderPassName
  • 创建light — 存入cbuffer 
    • struct Light {
	float3 color;
	float3 direction;
};
  • 创建 surface 
    • struct Surface {
	float3 normal;
	float3 viewDirection;
	float3 color;
	float alpha;

	float metallic;
	float smoothness;

};
  • 创建 brdf 
    • struct BRDF {
	float3 diffuse;
	float3 specular;
	float roughness;
};
  • 将光照信息存在UNITY_INSTANCING_BUFFER
  • 通过surface获取光照
    • float3 GetLighting (Surface surface,BRDF brdf)
  • brdf + litShader + direct light + GPU Instancing（还挺好看的）

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  • 加上alpha裁剪
    • image-20231022101123043

Shadows

类图

image-20231022110239840

生成shadowMap

  • img
  • // 创建一张临时纹理
buffer.GetTemporaryRT()
// 设置渲染目标
buffer.SetRenderTarget()
  • shadowSettings — 渲染shadowMap的配置
  • // 获取渲染阴影时的变换矩阵，阴影分割数据等
cullingResults.ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives(
			light.visibleLightIndex, 0, 1, Vector3.zero, tileSize, 0f,
			out Matrix4x4 viewMatrix, out Matrix4x4 projectionMatrix,
			out ShadowSplitData splitData
		);

  • // 渲染阴影
// tips：context.DrawShadows只渲染包含ShadowCaster Pass的材质
context.DrawShadows(ref shadowSettings);
  • 当投射阴影的光数量大于1时候，将shadowMap分割成四分，通过 buffer.SetViewport() 渲染纹理的一部分（）
  • 因为上述情况，所以光照的vp矩阵得做一个映射 
    • // 坐标映射，这段代码害我debug了六个小时！！！
Matrix4x4 ConvertToAtlasMatrix(Matrix4x4 m, Vector2 offset, int split)
{
    //Debug.Log("split: "+split);
    //Debug.Log("offset: " + offset);
    if (SystemInfo.usesReversedZBuffer)
    {
    m.m20 = -m.m20;
    m.m21 = -m.m21;
    m.m22 = -m.m22;
    m.m23 = -m.m23;
    }
    // [-1,1]映射到[0,1]
    // 坐标映射到四个子 map
    float scale = 1f / split;
    m.m00 = (0.5f * (m.m00 + m.m30) + offset.x * m.m30) * scale;
    m.m01 = (0.5f * (m.m01 + m.m31) + offset.x * m.m31) * scale;
    m.m02 = (0.5f * (m.m02 + m.m32) + offset.x * m.m32) * scale;
    m.m03 = (0.5f * (m.m03 + m.m33) + offset.x * m.m33) * scale;
    m.m10 = (0.5f * (m.m10 + m.m30) + offset.y * m.m30) * scale;
    m.m11 = (0.5f * (m.m11 + m.m31) + offset.y * m.m31) * scale;
    m.m12 = (0.5f * (m.m12 + m.m32) + offset.y * m.m32) * scale;
    m.m13 = (0.5f * (m.m13 + m.m33) + offset.y * m.m33) * scale;
    m.m20 = 0.5f * (m.m20 + m.m30);
    m.m21 = 0.5f * (m.m21 + m.m31);
    m.m22 = 0.5f * (m.m22 + m.m32);
    m.m23 = 0.5f * (m.m23 + m.m33);

    return m;

}

      shadowMap 的采样有说法，详情看代码

  • 将 surface 世界坐标转换到shaowMap坐标下（通过第三步获取的转换矩阵）
  • // unity内置宏，对shadowmap采样
TEXTURE2D_SHADOW(_DirectionalShadowAtlas);
#define SHADOW_SAMPLER sampler_linear_clamp_compare
SAMPLER_CMP(SHADOW_SAMPLER);
  • 获取阴影 strength 和原 color 相乘
  • 最终结果，有严重的摩尔纹
    • image-20231023183854132

级联shadowMap

  • 原理
    • img
  • // 通过修改参数获取不同的 v,p 矩阵
cullingResults.ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives(
			light.visibleLightIndex, i, cascadeCount, ratios, tileSize, 0f,
			out Matrix4x4 viewMatrix, out Matrix4x4 projectionMatrix,
			out ShadowSplitData splitData
		);
    • image-20231024091425837
  • culling sphere
    • 在确定每个级联图要渲染的实际区域时，Unity会为根据级联的阴影裁剪长方体创建一个球型空间，该球形空间会包裹整个阴影裁剪长方体，因此球形的空间会比原长方体多包裹住一些空间，这可能会导致有时在裁剪长方体区域外也会绘制一些阴影。下图为Culling Spheres的可视化图。
    • Culling Spheres的作用是让Shader确定相机渲染的每个片元需要采样哪个级联图。原理很简单，对于相机要渲染的一个片元，计算出其光源空间下的坐标，通过它计算片元与每个Culling Sphere球心的距离，最后确定属于哪个球空间内，采样对应级联图。 —
    • img
  • // 向shader传递 cullingSphere 参数
// cullingSphere -- x,y,z,r^2
Vector4 cullingSphere = splitData.cullingSphere;
cullingSphere.w *= cullingSphere.w;
cascadeCullingSpheres[i] = cullingSphere;

  • // 每个片元对应的 联级的信息
struct ShadowData {
	int cascadeIndex; // 联级索引
	float cascadeBlend; // 和下一联级混合的比例
	float strength;	// 阴影强度
};

// 对阴影信息的抽象
struct DirectionalShadowData {
	float strength;
	int tileIndex;
};
  • shader 中对应关系
    • light — DirectionalShadowData
    • frag — shadowData
  • // 获取具体 DirectionalShadowData -- shadowMap 索引+联级偏移量
data.tileIndex = _DirectionalLightShadowData[lightIndex].y + shadowData.cascadeIndex;

  • //通过距离判断在那个culling sphere
int i;
for (i = 0; i < _CascadeCount; i++) {
    float4 sphere = _CascadeCullingSpheres[i];
    float distanceSqr = DistanceSquared(surfaceWS.position, sphere.xyz);
    if (distanceSqr < sphere.w) {
    	break;
    }
    }
data.cascadeIndex = i;
  • 联级可视化
    • image-20231024104421040
  • 超过 maxDistence 不采样
    • image-20231024105330375
  • 阴影随着片元在 camera view space 深度增加而变浅 + 阴影在 max cascade 逐渐变浅
    • image-20231024140333611

提升阴影质量

  • shadow acne（毛刺 & 阴影暗斑）
    • 原理 关于ShadowMap中Shadow acne现象的解释
      • image-20231024141014255
    • 样例
      • ​ image-20231024141002382
    • Depth Bias — 添加偏移buffer.SetGlobalDepthBias(50000f, 0f); — 但是会产生阴影偏移
    • Slope Bias — buffer.SetGlobalDepthBias(0,3f); — 根据斜度进行偏移
      • image-20231024141915498
    • 由于使用联级阴影，使用全局统一的bias不合理，所以需要根据联级不同，使用不同的 culling sphere 半径做法线偏移 
      • float3 normalBias = surfaceWS.normal * _CascadeData[global.cascadeIndex].y;
      • image-20231024151624724
  • shadow pancaking （阴影平坠 ）– 理解的不是很好，有时间再看看

添加 PCF

  • 原理：CSM, PCSS与SDF Soft Shadow
  • float4 _ShadowAtlasSize; //（像素大小，map尺寸，0，0）
  • SampleShadow_ComputeSamples_Tent_7x7 (size, positionSTS.xy, weights, positions);计算 PCF权重weights ，采样点positions 
    • // 增加采样
for (int i = 0; i < DIRECTIONAL_FILTER_SAMPLES; i++) {
			shadow += weights[i] * SampleDirectionalShadowAtlas(
				float3(positions[i].xy, positionSTS.z)
			);
		}
  • buffer.EnableShaderKeyword( string ) // 向shader添加关键字，常用于定义宏
  • 联级过渡出现问题
    • image-20231024214954538
    • 添加联级之间混合，效果好了，但是增加了采样次数 
      • 	if (global.cascadeBlend < 1.0) {
		normalBias = surfaceWS.normal *
			(directional.normalBias * _CascadeData[global.cascadeIndex + 1].y);
		positionSTS = mul(
			_DirectionalShadowMatrices[directional.tileIndex + 1],
			float4(surfaceWS.position + normalBias, 1.0)
		).xyz;
		// 联级之间根据
		shadow = lerp(
			FilterDirectionalShadow(positionSTS), shadow, global.cascadeBlend
		);
	}
  • 在采样时添加抖动
    • surface.dither = InterleavedGradientNoise(input.positionCS.xy, 0); //生成时间梯度噪声
  • 绘制 shadowMap 时不绘制在当前联级之外的物体 
    • splitData.shadowCascadeBlendCullingFactor = cullingFactor

阴影裁剪

  • // shadow caster 中裁剪
#if defined(_SHADOWS_CLIP)
  		clip(base.r - UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial, _Cutoff));
#endif
  • image-20231028143015906

image-20231028144052590

其他

unity Input

  • buffer.SetViewProjectionMatrices(viewMatrix, projectionMatrix);) 设置矩阵，然后unity Input把这个矩阵放到shader里面

unity中real变量

  • unity core RP Pipline Library real — 根据不同平台成为float或half，定义在com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Common.hlsl

Premultiplied Alpha (Alpha预乘)

Premultiplied Alpha到底是干嘛用的

Premultiplied Alpha Tips

实现

  • // alpha 预乘
  	if (applyAlphaToDiffuse) {
  			brdf.diffuse *= surface.alpha;
  		}

unity default

default 值的含义取决于 ShadowSettings 类型的定义。如果 ShadowSettings 是一个自定义结构或类，那么它的默认值将取决于它的构造函数或字段默认值。这样，shadows 字段将在Inspector中显示，并且其初始值将设置为 ShadowSettings 类型的默认值。

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