Unity Shader 入门到改行7——渲染路径

Never Mind

0.本文示例代码地址

1. Unity 中的渲染路径

1.1 什么是渲染路径

在 Unity 中，渲染路径决定了光照如何应用到 Shader 中，我们要为每一个 Pass 指定渲染路径，使用如下的 Shader 指令：

Tags {"LightMode"="ForwardBase"}

当然，如果我们为一个 SubShader 指定了渲染路径，那么它所有的 Pass 都将使用这个渲染路径。这个标签告诉 Unity 渲染底层，将为这个 Pass 准备好哪些光照属性，以便能够通过哪些内置变量获得。例如，如果我们不设置{"LightMode" = "ForwardBase"} 这个这个标签，那么将无法正确获得诸如_WorldSpaceLightPos0 这个变量的值。

1.2 Unity 中渲染路径的设置

项目维度
通常一个项目使用一种渲染路径，可以在 Unity->Edit->Project Settings->Graphics-> Tier Settings -> Tier -> Render Path 中进行设置

项目渲染路径设置
摄像机维度
在摄像机的 Camera 组件中对属性 Rendering Path 进行设置

为摄像机设置渲染路径
SubShader 或 Pass 维度
在代码中为 SubShader 或 Pass 使用 Tag 指定

Tags {"LightMode"="ForwardBase"}

2. 前向渲染路径

前向渲染路径是传统的渲染方式，也是最常用的一种渲染路径。

2.1 前向渲染路径原理

前向渲染路径的核心是需要计算颜色缓冲区和深度缓冲区，深度缓冲区决定一个片元是否可见，颜色缓冲区决定该片元的颜色。前向渲染路径的过程可以用伪代码表示：

for (i=0;i<light_list.length;i++) {    
    for (j=0;j<model_list.length;j++) {
        for (k=0;k=model_primitive_list.length;k++) {
            for (m=0;m=primitive_fragment_list.length;m++) {
                if (ztest(primitive_fragment_list[m])) {
                    // 片元着色
                    color = shading();

                    // 写颜色缓冲区
                    writeColorbuffer(color);

                    // 深度写入
                    if (zwrite) {
                        writeZbuffer(z);
                    }
                } else {
                    discard;
                }
            }
        }
    }
}

如果一个物体受到多个逐像素光源的影响，那么该物体就需要执行多个 Pass。

2.2 Unity 中的前向渲染

在 Unity 中，前向渲染路径有3种处理光照的方式：逐顶点处理、逐像素处理、球谐函数处理。而决定一个光源使用哪种处理模式取决于它的类型和渲染模式，这可以在光源的 Light 组件中进行设置

为光源设置类型和渲染模式

大概可以这么简单理解：逐像素处理、逐顶点处理、球谐函数处理，处理的效果按照这个顺序依次递减，处理的性能则依次递增。Unity 中的处理逻辑如下：

在 Quality Settings 中可以设置逐像素光源的最大数量(Pixel Light Count)
场景中最亮的平行光优先级最高，总是按照逐像素处理
当场景中的逐像素处理光源数量小于 Pixel Light Count 时，渲染模式被设置为Important的光源，会按照逐像素处理
当场景中逐像素处理光源数量等于 Pixel Light Count 时，有4个光源会按照逐顶点的方式处理
如果还有光源，按照球谐函数 SH 的方式处理

Unity 前向渲染中有 Base Pass 和 Additional Pass，两种Pass的标签和渲染设置以及光照计算如下图所示:

前向渲染的两种 Pass

对于前向渲染来说，通常一个 Unity Shader 会定义一个 Base Pass（也可以定义多次，例如需要描边、渲染背面等）以及一个 Additional Pass，一个Bass Pass 仅会执行一次（定义多个Base Pass 的除外），而一个 Additional Pass 会根据影响该物体的其它逐像素光源被多次调用，即每个逐像素光源会执行一次 Additional Pass。
根据 Shader 中指定的渲染路径，Unity 会传递不同的光照变量给 Shader 使用，前向渲染（LightMode 设置为 "ForwardBase" 或 "ForwardAdd" ）时，可以在 Shader 中访问的光照变量如下图：

前向渲染路径可以使用的内置光照变量

前向渲染可以使用的内置光照函数如下：

前向渲染路径可以使用的内置光照函数

3. 顶点照明渲染路径

使用逐顶点的方式计算光照，硬件配置要求低、性能高、效果差，不支持逐像素效果，如阴影、法线映射、高精度高光等。已经逐步被 Unity 去掉了。

4. 延迟渲染路径

4.1 前向渲染路径的问题

前向渲染能够得到较好的效果，但它的问题在于处理多光源时性能急速下降。因为多光源情况下，每个物体都要执行多个 Pass 来计算不同光源对物体的光照结果，最终在颜色缓冲区中把这些结果混合起来得到最终效果。

4.2 延迟渲染的原理

延迟渲染使用了一个额外的缓冲区——G-Buffer，并且延迟渲染主要包含两个 Pass，第一个 Pass 只计算片元可见性，不计算片元颜色，而是将对应的信息（漫反射贴图、法线、视角等）存到 G-Buffer 中；第二个 Pass 根据 G-Buffer 的内容进行光照计算，使用伪代码大概可以表示为：

// Pass 1 处理可见性和GBuffer
Pass 1 {
    for(i=0;i<model_list.length;i++) {
        for (j=0;j<model_primitive_list.length;j++) {
            for (k=0;k<primitive_fragment_list.length;k++) {
                if (ztest(primitive_fragment_list[k])) {
                    writeGBuffer();
                } else {
                    discard;
                }
            }
        }
    }
}

// Pass 2 利用 GBuffer 信息进行光照计算
Pass 2 {
    for (i = 0; i < screen_fragment_list.length; i ++) {
        fragment = screen_fragment_list[i];
        if (isValid(fragment)) {
            color = shading(readGBuffer());
            writeColorbuffer(color);
        }
    }
}

可以看出，延迟渲染使用的 Pass 数目通常只有2个，与场景中的光源数目没有关系，而只和像素数量（与屏幕分辨率）有关，这是因为我们需要的信息都存储在了GBuffer中，而这些缓冲区可以看成若干2D图像，光照计算是在这些2D图像之间进行的。

延迟渲染适合光源数目多、前向渲染性能有瓶颈的情况下使用，它的每个光源都是按照逐像素的方式来处理，性能上有很大提升，但延迟渲染也有一些缺点：

对显卡有要求，显卡必须支持 MRT(Multiple Render Targets)、Shader Mode 3.0 以上，支持深度渲染纹理以及双面模板缓冲
不支持抗锯齿功能
不能处理半透明物体

4.3 Unity 中的延迟渲染

当使用延迟渲染时，Unity 要求我们提供两个 Pass。

第一个 Pass 用于渲染 G-Buffer，物体的漫反射颜色、高光颜色、平滑度、法线、自发光和深度等信息渲染到屏幕空间的 G-Buffer 中，对每个物体来说，这个 Pass 仅执行一次。
第二个 Pass 使用 G-Buffer 中的数据计算所有光源的光照，得到每个 fragment 的最终颜色，写入带 FrameBuffer 中。
默认的 G-Buffer 包含以下几种 RenderTexture
RT0 ： RGBA32，RGB存储漫反射颜色，A 未使用
RT1：RGBA32，RGB存储高光反射颜色，A用于存储高光反射指数
RT2：ARGB2101010，RGB用来存储法线，A未使用
RT3：ARGB32，存储自发光 + lightmap + 反射探针
深度和模板缓冲区

第二个 Pass 计算光照时，默认情况下仅可以使用 Unity 内置的 Standard 光照模型，如果想要自定义，需要替换原有的 Internal-DeferredShading.shader 文件。

参考文献：
[UnityShader 入门精要]
知乎:延迟渲染