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【渲染流水線】[應用階段]-[渲染命令隊列]以UnityURP為例

應用階段最後是CPU向GPU提交需要渲染的數據。通常數據會被複制到顯存中，然後設置渲染參數，最後調用渲染接口。PC中是這樣的，但是移動設備一般沒有單獨的顯存。使用內存為GPU服務。他們使用同一內存地址。除非要讀/寫這段內存內容才會複製出一份調整CPU和GPU之間協作。

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

渲染狀態：

  • 一連串開關或方法，以及方法的地址指向（階段中的各種可配置的階段等都是在這裏）。SetPassCall。例如是否開啓混合、用哪個紋理、哪個頂點着色器、是否背面剔除等，在Unity中則是ShaderLab語法規則中規定的各種標籤。

渲染指令：

  • 調用具體渲染的對象。drawcall是一個渲染指令，這個指令僅指向一連串圖元（點線面 網格拆分後的狀態），並不會包含任何其他材質信息。每個狀態前都伴隨着一連串渲染狀態設置，所以渲染命令隊列中，渲染狀態和渲染指令是交替出現。

渲染命令隊列：

  • 其中包含渲染狀態、渲染指令的緩衝區。CPU向緩衝區放入指令，GPU執行指令。CPU發送渲染狀態後，CPU需要控制總線將數據從內存搬運到顯存，搬運過程耗費大量時間。drawcall多了後會導致大量內存搬運，運行速度下降。

打包數據

模型信息

模型數據主要從網格資源（Mesh）中獲取，包含以下核心屬性：

  1. ‌頂點座標‌描述模型局部空間的頂點位置座標（x, y, z）。
  2. ‌法線信息‌定義頂點朝向，用於光照計算和表面平滑度。
  3. ‌UV信息‌二維紋理映射座標（u, v），範圍[0,1]，控制貼圖在模型表面的分佈。
  4. ‌切線向量‌與法線配合構建切線空間，用於法線貼圖等高級渲染效果。
  5. ‌頂點顏色‌存儲逐頂點顏色值，可用於特殊着色效果。
  6. ‌索引列表‌定義頂點連接順序，優化繪製效率（減少重複頂點）

  • ‌數據來源‌：

    • 由建模工具（如Blender/Maya）導出時生成，隨模型文件（.fbx/.obj）導入Unity。
    • 程序化網格通過Mesh類API動態設置（如mesh.vertices, mesh.uv）

    • 變換矩陣

      矩陣數據由CPU計算並傳遞給GPU：

      • ‌模型矩陣 Model Matrix（M） ‌模型局部座標→世界座標，由物體的Transform組件（位置/旋轉/縮放）計算得出。

        • 計算順序：縮放 → 旋轉 → 平移（SRT）

      • ‌視圖矩陣 View Matrix（V） ‌世界座標→攝像機座標，基於Camera組件的位姿（位置/朝向/上方向）生成。

        • 計算原理：先逆平移（攝像機到原點），再逆旋轉（對齊座標軸）

      • ‌投影矩陣 Projection Matrix（P） ‌攝像機座標→齊次裁剪座標，通過相機參數計算：

        • 參數來源：FOV、近/遠裁剪面、寬高比
        • 透視投影（近大遠小）或正交投影（等比例縮放）
        • Field of View (FOV)：視角範圍
        • Near/Far Clipping Planes：近遠裁剪平面
        • Aspect Ratio：屏幕寬高比。
      • ‌MVP矩陣‌最終變換矩陣：MVP = P × V × M

      • 計算主體與存儲位置

        矩陣類型 計算者 存儲位置（GPU端） 訪問方式（Shader）
        ‌模型矩陣 (M) ‌ Transform組件 (CPU計算) unity_ObjectToWorld UNITY_MATRIX_M
        ‌視圖矩陣 (V) ‌ 攝像機組件 (CPU計算) unity_MatrixV UNITY_MATRIX_V
        ‌投影矩陣 (P) ‌ 攝像機投影參數 (CPU計算) unity_MatrixP UNITY_MATRIX_P
        ‌MVP矩陣 ‌ Shader運行時組合 無獨立存儲 mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(UNITY_MATRIX_M, pos))

      • 計算時機

        • CPU端：每幀渲染前更新（物體Transform或攝像機移動時）。
        • GPU端：通過UNITY_MATRIX_VP（視圖投影矩陣）與UNITY_MATRIX_M（模型矩陣）在頂點着色器動態組合

      • 優化機制

        • URP預計算VP矩陣（視圖投影聯合矩陣），減少GPU計算量。

        • 使用UnityObjectToClipPos內置函數直接完成MVP變換：

          hlsl
float4 clipPos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 內部實現：mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(UNITY_MATRIX_M, v.vertex))

燈光、材質參數

  • 燈光參數‌

    • ‌光源屬性‌：位置、顏色、強度、衰減等，源自場景中的Light組件。
    • ‌陰影參數‌：陰影強度、分辨率，通過URP光源設置（如UniversalAdditionalLightData）配置。

  • ‌材質數據‌

    • ‌Shader與材質屬性‌：漫反射顏色、高光強度等，由Material實例定義。
    • ‌紋理貼圖‌：通過材質綁定（如_MainTex），從紋理資源加載。

‌數據傳遞流程‌：

應用階段通過SetPassCall設置渲染狀態（Shader/材質），並通過DrawCall提交圖元列表

Batch：

  • 把數據加載到顯存，設置渲染狀態，CPU調用GPU渲染的過程稱之為一個Batch。

Unity URP渲染管線中的渲染狀態和渲染命令的實現

一、‌渲染狀態設置（SetPassCall）‌

  • ‌ScriptableRenderer類

    • 位於UniversalRenderer.cs中，負責管理URP的默認渲染流程。
    • 調用EnqueuePass方法將渲染Pass（如DrawObjectsPass）加入隊列。

  • ‌CommandBuffer類‌

    • 通過CommandBufferPool.Get獲取實例，錄製渲染指令。

    • 關鍵方法：

      csharp
cmd.SetRenderTarget()// 綁定渲染目標
cmd.SetGlobalTexture()// 設置全局紋理
cmd.SetViewProjectionMatrices()// 設置VP矩陣

  • ‌Material與Shader‌

    • 材質狀態通過Material.SetPass方法設置，觸發底層SetPassCall。
    • URP通過ShaderData類管理着色器變體（Variant）的切換。

二、‌圖元提交（DrawCall）‌

  • ‌ScriptableRenderContext類‌

    • 核心方法Submit提交所有錄製的CommandBuffer到GPU。

    • 調用鏈：

      csharp
context.ExecuteCommandBuffer(cmd);// 執行指令
context.DrawRenderers()// 觸發DrawCall

  • ‌DrawingSettings與FilteringSettings‌

    • 在DrawObjectsPass.Execute中配置：

      csharp
var drawSettings = new DrawingSettings(...);// 指定Shader Pass和排序var filterSettings = new FilteringSettings(...);// 設置渲染隊列和層級
context.DrawRenderers(...);// 最終提交

  • ‌Graphics.DrawMesh‌

    • 直接提交網格數據的備選API，繞過URP流程但效率較低。

三、關鍵腳本位置

功能 腳本文件 核心方法
‌渲染流程控制‌ UniversalRenderer.cs AddRenderPasses, Execute
‌指令錄製‌ CommandBuffer.cs Clear, DrawMesh, Blit
‌材質狀態管理‌ Material.cs SetPass, SetShaderPassEnabled
‌數據提交‌ ScriptableRenderContext.cs Submit, DrawRenderers

四、執行流程示例

csharp
// 在ScriptableRenderPass中實現
public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData data) {
    CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get("CustomPass");
    cmd.SetRenderTarget(...);// SetPassCall
    cmd.DrawMesh(...);// DrawCall
    context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
    CommandBufferPool.Release(cmd);
}

Unity URP渲染管線中的應用階段渲染命令隊列及渲染隊列實現

在Unity URP渲染管線的應用階段，渲染命令隊列包含一系列圖形命令，主要用於調度和執⾏渲染操作，例如清除緩衝區、繪製幾何體、設置材質和着色器參數、處理光源陰影，以及執行後處理效果。

這些命令通過ScriptableRenderContext接口進行管理，該接口作為C#代碼與Unity底層圖形引擎的橋樑，確保命令按序列化順序提交GPU處理。隊列內容包括：

  • 緩衝區清除命令（如顏色緩衝和深度緩衝）。
  • 幾何體繪製命令（調用DrawMesh或DrawProcedural）。
  • 狀態設置命令（如設置視口、混合模式）。
  • 陰影貼圖生成命令（針對動態光源）。
  • 後處理Pass（如抗鋸齒或景深應用）。這些命令在每幀的渲染循環中被動態生成和執行，以支持前向渲染策略和性能優化。

URP中的渲染隊列實現主要由ScriptableRenderPass類完成，它定義了Pass的執行順序和具體渲染邏輯。具體腳本流程如下：

‌渲染隊列管理‌：

  • 渲染隊列（如RenderQueueRange.opaque或RenderQueueRange.transparent）在ScriptableRenderPass的構造函數中指定，通過字段如renderPassEvent控制Pass的執行時機（例如在相機渲染前或後）。

  • 例如，一個基本的Pass腳本會繼承自ScriptableRenderPass，並在其Configure方法中設置隊列優先級：這裏，Execute方法包含具體命令隊列的實現，使用CommandBuffer來錄製命令（如cmd.ClearRenderTarget），並通過ScriptableRenderContext提交。

    csharp
public class CustomRenderPass : ScriptableRenderPass
{
    public override void Configure(CommandBuffer cmd, RenderTextureDescriptor cameraTextureDescriptor)
    {
// 設置隊列範圍為不透明對象
        renderPassEvent = RenderPassEvent.BeforeRenderingOpaques;
    }
    public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
    {
// 執行命令，如繪製或清除
        CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get();
        context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
        CommandBufferPool.Release(cmd);
    }
}

‌腳本集成‌：

  • 在ScriptableRenderer（如UniversalRenderer）中，渲染隊列通過m_ActiveRenderPassQueue列表管理。
  • Setup階段調用AddRenderPasses方法收集所有關聯的ScriptableRenderPass實例（來自RendererFeature），並按事件順序排序；Execute階段遍歷列表執行每個Pass的Execute方法。
  • 例如，UniversalRenderPipeline.Render方法驅動整個流程：此腳本位於URP核心程序集（如UniversalRenderPipeline.cs），依賴於UniversalRenderPipelineAsset提供配置
csharp
protected override void Render(ScriptableRenderContext context, List<Camera> cameras)
{
// 排序相機並逐個處理foreach (var camera in cameras)
    {
        var renderer = cameraData.renderer;
        renderer.Execute(context, ref renderingData);// 執行Pass隊列
    }
}

在Unity URP中，ShaderLab配置的渲染狀態（如剔除、深度測試、混合模式等）的處理流程

一、狀態讀取與存儲機制

‌ShaderLab解析階段‌

  • URP通過ShaderCompiler解析ShaderLab代碼，將Cull、ZTest、Blend等指令轉換為底層渲染狀態標識符。

  • 解析結果存儲在ShaderData結構中，包含渲染狀態變體（Variant）和材質屬性。

    ‌GPU狀態設置階段‌

  • 運行時由CommandBuffer錄製指令（如cmd.SetRenderTarget、cmd.SetGlobalDepthBias），通過ScriptableRenderContext.Submit提交到GPU。

  • 關鍵存儲位置：

    • ‌剔除模式‌：存於RenderStateBlock.cullMode，通過DrawingSettings傳遞給DrawRenderers調用。
    • ‌深度測試/寫入‌：通過DepthState結構（含ZWrite、ZTest）配置，最終寫入GPU深度緩衝區。
    • ‌混合模式‌：由BlendState管理（含BlendOp、SrcFactor等參數），綁定到渲染管線狀態。

    ‌URP運行時管理‌

  • UniversalRenderer在AddRenderPasses階段收集所有Pass的渲染狀態，合併到RenderStateBlock。
  • 通過MaterialPropertyBlock動態覆蓋材質屬性（如運行時修改_ZWrite）。

二、關鍵腳本與調用鏈

‌功能‌ ‌腳本/類‌ ‌核心方法‌ ‌數據流向‌
‌Shader解析‌ ShaderCompiler CompileShader ShaderLab → ShaderData
‌狀態錄製‌ CommandBuffer SetRenderState CPU → GPU指令隊列
‌Pass執行‌ DrawObjectsPass Execute 通過DrawingSettings傳遞狀態
‌動態修改‌ MaterialPropertyBlock SetFloat/SetInt 運行時覆蓋Shader參數

三、使用示例（URP中動態修改深度測試）

hlsl
// ShaderLab中聲明深度測試
SubShader {
    Pass {
        ZWrite On
        ZTest LEqual
    }
}
  • ‌運行時讀取‌：通過Material.GetInt("_ZWrite")獲取狀態。

  • ‌動態修改‌：

    csharp
var block = new MaterialPropertyBlock();
block.SetInt("_ZWrite", 0);// 禁用深度寫入
renderer.SetPropertyBlock(block);
    【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

（歡迎點贊留言探討，更多人加入進來能更加完善這個探索的過程，🙏）

渲染 , unity , 前端
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