[Render] Unity SRP 概述：可编写脚本的渲染管道

英文原文：https://thegamedev.guru/rendering/unity-srp-overview-scriptable-render-pipeline/

我决定做一些研究并编写即将推出的实验性 Unity 功能：Scriptable Rendering Pipelines。为什么？因为它关乎你，它关乎我。但不要惊慌。或者至少，现在还没有。也许甚至明年都不会，但它最终会改变你的工作方式。你越准备好，你就会越好。

1.什么是SRP？

Scriptable Render Pipeline (SRP) 是一种新的 Unity 系统和思维方式，它允许任何图形程序员开发自定义的渲染循环。这意味着，您将能够调整、减少、扩展游戏创建帧的方式。这将增加您优化游戏、创建自定义视觉效果、使您的系统更易于维护、修复直到现在无法修复的错误的潜力，但它的主要优势在于它可以让您更详细地了解图形的工作原理。这个想法基本上与（传统）黑盒内置渲染器相反，Unity 垄断了所应用的渲染算法。

该技术随 Unity 2018.1 Beta 一起提供。不过要小心，它仍处于试验阶段，可能会保持这种状态一段时间。它的主要支柱是与 C++ 引擎紧密绑定的 C# API。 API 很可能在功能开发过程中发生变化。它背后的主要赌注是，您将对游戏将执行的渲染过程进行更细粒度的控制。

Unity 在其代码中提供了两个渲染管道：

LWRP：轻量级渲染管线
HDRP：高清渲染管线

为了理解 SRP，有必要了解典型的每相机渲染过程的整体情况：

Culling
Drawing
Post-processing

如果您了解这些方面，请随时跳过下一部分。

1.1 剔除

帧的渲染通常从剔除开始。让我们从一个非正式但简单的定义开始，这将有助于我们暂时理解它。CullingCPU 过程包括获取可渲染对象并根据相机的可见性标准对其进行过滤，以生成要渲染的对象列表。

可渲染对象基本上是带有渲染器组件（如 MeshRenderer）的游戏对象，过滤只是意味着它是否会包含在列表中。但是请注意，真正的剔除过程也会将灯光添加到等式中，但我们将跳过这些。

剔除很重要，因为它大大减少了 GPU 必须处理的数据量和指令量。如果我们在洞穴中，渲染一架正在运行的飞机可能没有意义，因为我们看不到它（但它可能会，例如它在洞穴内投射阴影）。剔除本身需要一些处理器时间，这是引擎在平衡 CPU/GPU 负载时必须注意的事实。

传入的几何体/灯光 + 相机设置 + 剔除算法 = 要绘制的渲染器列表

1.2 渲染

在我们确定应该显示哪些数据之后，我们就去做吧。一个常见的过程可以总结为以下步骤：

清除（返回）缓冲区内容（CPU）我们丢弃之前生成的缓冲区。它通常是颜色和深度缓冲区，但它可能包括用于其他技术（例如延迟着色）的自定义缓冲区。
排序 (CPU) 对象根据渲染队列进行排序（例如，从前到后不透明，从后到前透明以进行正确混合）。排序 (CPU) 根据渲染队列对对象进行排序（例如，从前到后不透明，并且从后到前透明以进行适当的混合）。
动态批处理 (CPU) 我们尝试将渲染器组合为一个对象，这样我们就可以节省绘制调用。此优化是可选的。
命令（绘制调用）准备和调度（CPU）对于每个渲染器，我们准备一个绘制命令及其几何数据：顶点、uv 坐标、顶点颜色、着色器参数（如变换矩阵（MVP）、纹理 ID 等）。沿着其数据的指令被提交给 API，API 将与驱动程序一起将这些原始信息打包并正确格式化为适合 GPU 的数据结构。
Render pipeline (GPU) 非常粗略的描述：GPU接收并处理命令；然后 GPU 前端组装几何体，执行顶点着色器，光栅化器启动，片段着色器完成它们的工作，GPU 后端管理混合，渲染目标并将所有内容写入不同的缓冲区。
等待 GPU 完成并交换缓冲区
根据 VSync 设置，它甚至可能等待更长的时间来执行前后缓冲区交换。

这是一个过度简化的典型渲染过程。

在 GPU 填充缓冲区（颜色、深度和可能的其他）之后，开发人员可能会选择应用进一步的图像增强功能。它们包括将着色器应用于输入纹理（创建的缓冲区）以用校正后的图像覆盖它们。下面列出了一些：

效果	描述	性能成本
Bloom	它突出了明亮的发光区域，在源周围营造出一种光环效果	中等的
景深 (DoF)	根据设置的参数模糊屏幕的某些部分	昂贵的
SS 抗锯齿	柔化由有限分辨率产生的像素颜色之间的突然过渡	轻到贵
色彩校正	根据定义的规则更改颜色的行为	轻
SS 环境光遮蔽	添加接触阴影（它使对象之间的区域变暗）	中等的

请注意，性能成本实际上取决于平台，但作为一般规则，后期效果对于移动设备来说是令人望而却步的。

它们昂贵的一个原因是每个生成的片段通常需要从帧缓冲区（在集成 GPU 的 RAM 中）进行多次读取，进行一些计算，然后覆盖缓冲区。如果将此过程添加到多个后期效果中，由于生成的过度绘制，您最终会使用过多的内存带宽。

现在我们有了初步的了解，回到我们的 SRP 主题。还在我这儿？我们为什么要学习 SRP？它将如何影响您？

2. 为什么选择 SRP？

主要问题是 Unity 的内置渲染器是单一的、巨大的黑盒渲染管道，它考虑了每个用例。让它如此通用需要付出很大的代价：

很难优化。
在不破坏当前项目的情况下很难改变。
它应该保持与以前版本的兼容性。
很难进行自定义渲染过程和微调项目。
自定义渲染代码容易产生难以追踪的副作用。
大工作室害怕受到限制。

这就是我打赌 Unity 决定采用 SRP 的原因。这是一个重大举措，因为您可以在资产商店中找到的大量软件包需要进行调整才能与 SRP（场景光强度、材质、着色器等）一起使用。

SRP 的优点基本上与其缺点相反，还有其他一些额外的好处，例如可以使用即将推出的工具，例如用于图形着色器编程的 Shadergraph（最终使使用表面着色器变得罕见）。在我看来，最大的优势之一是通过了解渲染的工作原理，您将获得大量的学习。

基本 SRP

我基于 Unity 示例编写了一个简单的 SRP，以展示创建自定义渲染算法是多么容易（但没用？）。它首先为一个可脚本对象编写代码，该对象将作为 Unity 在启动时实例化我们的 SRP 的工厂：

[CreateAssetMenu(menuName = "SRP/Create RubenPipeline")]
public class RubenPipelineAsset : RenderPipelineAsset
{[SerializeField] private Color _clearColor;protected override IRenderPipeline InternalCreatePipeline(){return new RubenPipelineImplementation(_clearColor);}
}

我添加了一个虚拟的可选变量，它指示要使用的清晰颜色。创建脚本对象实例后，您最终必须在图形设置中分配它，以便 Unity 可以将其用于上述任务。

创建 SRP 工厂代码后，现在我们进入真正的实现：

public class RubenPipelineImplementation : RenderPipeline
{private Color _clearColor;public RubenPipelineImplementation(Color clearColor){_clearColor = clearColor;}public override void Render(ScriptableRenderContext renderContext, Camera[] cameras){base.Render(renderContext, cameras);RenderPipeline.BeginFrameRendering(cameras);// You can sort the cameras however you want hereforeach (var camera in cameras){RenderPipeline.BeginCameraRendering(camera);renderContext.SetupCameraProperties(camera);// Clearvar cb = new CommandBuffer();cb.ClearRenderTarget(true, true, _clearColor);renderContext.ExecuteCommandBuffer(cb);// 1. CullCullResults cullResults;CullResults.Cull(camera, renderContext, out cullResults);// 2. Rendervar drawRendererSettings = new DrawRendererSettings(camera, new ShaderPassName("BasicPass"));var filterRenderersSettings = new FilterRenderersSettings(true);renderContext.DrawRenderers(cullResults.visibleRenderers, ref drawRendererSettings, filterRenderersSettings);renderContext.Submit();}}
}

这个过程部分对应于我们之前描述的通用渲染算法。第一个任务是触发一些事件，以便 Unity 和第三方插件可以在渲染期间注入自定义代码：BeginFrameRendering、BeginCameraRendering。然后，为了让 Unity 辅助函数工作，我们通过 renderContext.SetupCameraProperties 设置一些用于绘图的相机属性（矩阵、FoV、透视/正交、剪切平面等）。然后我们清除当前颜色和深度缓冲区内容，将初始颜色设置为可编写脚本对象中提供的颜色。我们对当前相机进行剔除处理，获取要绘制的渲染器列表。因此，我们继续使用默认设置绘制剔除结果，并在准备好所有指令后，将它们提交给 API + 驱动程序。

在我们开始测试我们的新渲染循环之前还有一件事。我们需要一个带有自定义着色器的自定义材质来渲染我们的几何体。为此，我准备了一个可以使用它的简单无光照着色器。除了通过 LightMode 通道命名我们的着色器通道之外，没有什么特别的。

Shader "Unlit/NewUnlitShader"
{Properties{_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}}SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" }Pass{Tags { "LightMode" = "BasicPass" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{return tex2D(_MainTex, i.uv);}ENDCG}}
}

现在准备好尝试了吗？是的！

我为此感到自豪吗？不，但一步一步。对于好奇的人：它在 API 方面看起来如何？是在听我的吩咐吗？让我们打电话给我们的#bff RenderDoc。

所以它完成了我们的要求，忽略了 Unity 编辑器细节的绘制调用。不多也不少。你明白为什么 SRP 很棒了吗？全权控制，全责，最大的责备潜力！我之前并没有真正指出，但我们使用可脚本化的对象来进行 SRP 的事实确实很强大。您可以自定义您提供的参数并在运行时更改它们。我还没有尝试过，但我敢打赌，我们将能够实时更改管道，让我们可以随意调整它以适应不同的设备。

预定义的渲染管线

Unity 带有两个预定义的可编写脚本的渲染管道，您可以使用它们而无需进一步复杂化。事实上，建议您使用其中任何一个作为模板来个性化您自己的管道，因为创建和维护其中一个肯定很难，相信我。让我们简要描述一下它们：

LWRP（轻量级渲染管线）：

针对中低端设备的特定渲染算法
内置渲染器的剥离版本
以缩放分辨率渲染游戏
UI 以原始分辨率呈现
没有实时GI

你可以在网上找到官方内置渲染器与 LWRP 的比较以及 LWRP 源代码，如果你有一些（实际上，很多）空闲时间，我建议你看看。还要检查比较，因为每次他们改变主意时我都不会修改此博客条目。

HDRP（高清渲染管线）针对高端设备（台式机、PS4/XBO）并提供开箱即用的更好质量，包括延迟着色、TAA、HDR、PPAA、SSR、SSS 等。喝杯茶，享受一段轻松而又令人兴奋的源代码阅读时光。

性能

很抱歉让您失望了，但是现在用一个经常变化的高度不稳定的 API 进行基准测试是不可行的。我从人们对 HDRP 和 LWRP 与内置渲染器的基准测试中发现的结果不一致，几乎没有可比性。我将在以后的文章中介绍这一点，但由于我在上面几节中提到的原因，预计它会变得更好。

总结

我们已经看到了渲染是什么样子，为什么 Unity 决定实现如此大的功能来支持弃用当前系统，Unity 是如何做到的，以及从今天开始渲染的开箱即用的可能性。你可能已经意识到这篇文章是多么的简单，但是写得更彻底会让大多数读者望而却步。