4.2 可编程渲染管线 (SRP) (URP, HDRP)

4.2 可编程渲染管线 (SRP) (URP, HDRP)

4.2 可编程渲染管线 (SRP) (URP, HDRP)

4.2.1 SRP 的核心概念

传统的内置渲染管线是一个“黑盒”，虽然易于上手，但缺乏定制性和优化空间。SRP 的出现旨在解决这一问题，它将渲染过程模块化，并开放了关键渲染阶段的控制权给开发者。SRP 的核心思想是可编程性，这意味着渲染管线的行为不再是固定的，而是可以通过脚本代码进行自定义和扩展。

SRP 的主要组成部分包括：

• ScriptableRenderPipelineAsset (SRP Asset)： 这是 SRP 的核心配置文件，定义了渲染管线的全局设置，例如渲染路径、资源配置等。项目需要使用哪种 SRP，就需要创建并配置对应的 SRP Asset。URP 和 HDRP 各有其独立的 SRP Asset 类型。

• Renderer (渲染器)： 渲染器负责实际的渲染执行。URP 和 HDRP 都有默认的渲染器实现，例如 URP 的 ForwardRenderer 和 HDRP 的 HDRenderPipeline。渲染器内部包含一系列的 Render Pass (渲染通道)，这些 Pass 按照特定的顺序执行，完成整个渲染流程。

• Render Pass (渲染通道)： 渲染通道是 SRP 中最基本的渲染单元，负责执行特定的渲染任务，例如深度预通道、不透明物体渲染、透明物体渲染、后处理等。开发者可以自定义 Render Pass 来扩展渲染管线的功能，例如实现自定义的渲染效果或优化特定的渲染流程。

• Render Features (渲染特性)： Render Feature 是对 Render Pass 的封装和扩展，它提供了一种更便捷的方式来添加和管理自定义的渲染功能。开发者可以将多个相关的 Render Pass 组合成一个 Render Feature，并通过 Inspector 界面进行配置和启用。

• Shader Graph 集成： SRP 与 Shader Graph 深度集成，允许开发者使用节点式的可视化编辑器创建自定义 Shader，这些 Shader 可以与 SRP 管线无缝协作，充分发挥 SRP 的可编程性优势。

我们可以用下图来概括 SRP 的基本架构：

4.2.2 通用渲染管线 (URP)

通用渲染管线 (Universal Render Pipeline, URP)，原名轻量级渲染管线 (Lightweight Render Pipeline, LWRP)，旨在提供一个高性能、可扩展、跨平台的渲染解决方案。URP 适用于广泛的平台，包括移动设备、Web、VR/AR 以及低端到中端 PC 和主机。它在性能和画面质量之间取得了良好的平衡，非常适合需要高效渲染和快速迭代的项目。

URP 的主要特点：

• 前向渲染路径 (Forward Rendering Path)： URP 主要采用前向渲染路径，这是一种相对简单的渲染方式，非常适合移动平台和需要高性能的应用。前向渲染路径对于每个物体，都会对场景中的每个光源进行计算，因此光源数量增加会显著影响性能。

• 单 Pass 光照 (Single-Pass Lighting)： URP 默认使用单 Pass 光照，优化了前向渲染的性能。

• 基于物理的渲染 (Physically Based Rendering, PBR)： URP 支持 PBR 材质，可以实现更真实的光照和材质效果。

• 后处理效果 (Post-Processing Effects)： URP 集成了后处理框架，可以方便地添加各种屏幕后处理效果，例如 Bloom、Color Grading、Depth of Field 等。

• Shader Graph 支持： URP 与 Shader Graph 深度集成，可以方便地创建自定义的 URP Shader。

• 可扩展性： URP 提供了 Render Features 和 Render Pass API，允许开发者自定义渲染流程，添加自定义效果和优化。

• 优化的性能： URP 经过优化，在各种平台上都能提供良好的性能表现。

URP 的应用场景：

• 移动游戏开发： URP 是移动游戏开发的首选渲染管线，因为它在性能和画面质量之间取得了最佳平衡。

• VR/AR 开发： VR/AR 应用对性能要求极高，URP 的高性能特性使其成为 VR/AR 开发的理想选择。

• 低端到中端 PC 和主机游戏： 对于预算有限或者追求流畅帧率的游戏，URP 也是一个不错的选择。

• 快速原型开发： URP 易于上手和配置，非常适合快速原型开发和迭代。

• 教育和学习： URP 的结构相对简单，更易于学习和理解 SRP 的原理和自定义方法。

URP 代码实践：自定义 Render Feature 和 Render Pass

为了更好地理解 URP 的可编程性，我们来创建一个简单的自定义 Render Feature 和 Render Pass，实现一个简单的颜色调整效果。

1. 创建 Render Pass 脚本 ColorAdjustRenderPass.cs:

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class ColorAdjustRenderPass : ScriptableRenderPass
{
    private Material colorAdjustMaterial;
    private Color colorTint = Color.white;
    private RenderTargetIdentifier source;
    private RenderTargetIdentifier destination;
    private string tag;
    public ColorAdjustRenderPass(string tag)
    {
        this.tag = tag;
        // 创建材质，使用内置的 URP Post-processing Shader 中的 Color Grading 效果
        colorAdjustMaterial = new Material(Shader.Find("Universal Render Pipeline/Post-Processing/ColorGrading"));
    }
    // 配置 Render Pass，例如设置渲染目标、清除标志等
    public override void Configure(CommandBuffer cmd, RenderTextureDescriptor cameraTextureDescriptor)
    {
        // 获取渲染纹理描述符
        RenderTextureDescriptor descriptor = cameraTextureDescriptor;
        // 不需要深度纹理
        descriptor.depthBufferBits = 0;
        // 创建临时渲染纹理，用于中间处理
        cmd.GetTemporaryRT(Shader.PropertyToID("_TempColorAdjustTexture"), descriptor, FilterMode.Bilinear);
        destination = new RenderTargetIdentifier("_TempColorAdjustTexture");
    }
    // 设置 Render Pass 需要的参数
    public void SetTarget(RenderTargetIdentifier source)
    {
        this.source = source;
    }
    public void SetColorTint(Color color)
    {
        this.colorTint = color;
        if (colorAdjustMaterial != null)
        {
            colorAdjustMaterial.SetColor("_ColorFilter", colorTint); // 使用 Color Filter 属性进行颜色调整
        }
    }
    // 执行 Render Pass 的渲染逻辑
    public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
    {
        if (colorAdjustMaterial == null) return;
        CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get(tag);
        cmd.Clear();
        // 将源纹理 Blit 到临时纹理，并应用颜色调整材质
        Blit(cmd, source, destination, colorAdjustMaterial, 0); // Pass 0 对应 Color Grading 效果
        // 将临时纹理 Blit 回到渲染目标
        Blit(cmd, destination, source);
        context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
        CommandBufferPool.Release(cmd);
    }
    // 在 Render Pass 执行完毕后清理资源，例如释放临时渲染纹理
    public override void FrameCleanup(CommandBuffer cmd)
    {
        cmd.ReleaseTemporaryRT(Shader.PropertyToID("_TempColorAdjustTexture"));
    }
}
​

2. 创建 Render Feature 脚本 ColorAdjustRenderFeature.cs:

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class ColorAdjustRenderFeature : ScriptableRendererFeature
{
    public Color colorTint = Color.white;
    private ColorAdjustRenderPass colorAdjustPass;
    // 在 Render Feature 创建时调用，用于创建 Render Pass 实例
    public override void Create()
    {
        colorAdjustPass = new ColorAdjustRenderPass("Color Adjust Pass");
        colorAdjustPass.renderPassEvent = RenderPassEvent.AfterRenderingPostProcessing; // 在后处理之后执行
    }
    // 在每次渲染帧之前调用，用于配置 Render Pass
    public override void AddRenderPasses(ScriptableRenderer renderer, ref RenderingData renderingData)
    {
        if (colorAdjustPass == null) return;
        // 设置 Render Pass 的渲染目标为当前渲染管线的颜色目标
        colorAdjustPass.SetTarget(renderer.cameraColorTarget);
        // 设置颜色调整参数
        colorAdjustPass.SetColorTint(colorTint);
        // 将 Render Pass 添加到渲染队列中
        renderer.EnqueuePass(colorAdjustPass);
    }
}
​

3. 创建 URP Asset 和 Renderer Data:

• 如果你的项目还没有使用 URP，需要先导入 URP 包 (Window -> Package Manager -> Universal RP)。

• 在 Project 窗口中右键单击，选择 Create -> Rendering -> URP Asset (with Universal Renderer) 创建 URP Asset 和 Universal Renderer Data。

• 将创建的 URP Asset 应用到 Graphics Settings (Edit -> Project Settings -> Graphics) 中的 Scriptable Render Pipeline Settings。

4. 将 Render Feature 添加到 Renderer Data:

• 在 Project 窗口中选中创建的 Universal Renderer Data 资源。

• 在 Inspector 窗口中，点击 Add Renderer Feature 按钮，选择 Color Adjust Render Feature。

• 在 Inspector 窗口中，可以调整 Color Tint 属性来控制颜色调整效果。

运行效果：

运行场景，你会发现整个画面颜色被 Color Tint 属性指定的颜色所调整。你可以尝试修改 Color Tint 颜色，观察画面变化。

代码解释：

• ColorAdjustRenderPass.cs 定义了一个自定义的 Render Pass，它使用内置的 Universal Render Pipeline/Post-Processing/ColorGrading Shader 中的 Color Grading 效果来实现颜色调整。Execute 函数中使用了 Blit 命令将源纹理 Blit 到目标纹理，并应用了材质。

• ColorAdjustRenderFeature.cs 定义了一个 Render Feature，它创建并管理 ColorAdjustRenderPass 实例，并将该 Pass 添加到 URP 渲染管线中。AddRenderPasses 函数在每帧渲染前被调用，用于配置 Render Pass 的参数和渲染目标。

• 通过将 Render Feature 添加到 Universal Renderer Data 中，并将 Renderer Data 应用到 URP Asset，我们就成功地将自定义的颜色调整效果集成到了 URP 渲染管线中。

URP 渲染流程图 (简化版):

这个简化的流程图展示了 URP 的主要渲染阶段，我们的自定义 Render Feature ColorAdjustRenderFeature 被插入到了 Post-Processing 阶段之后。

4.2.3 高清渲染管线 (HDRP)

高清渲染管线 (High Definition Render Pipeline, HDRP) 旨在为高端平台（例如高性能 PC 和主机）提供极致的画面质量和照片级真实感。HDRP 提供了先进的渲染技术和功能，可以实现电影级别的视觉效果。然而，HDRP 对硬件性能要求较高，不适合移动设备和低端平台。

HDRP 的主要特点：

• 延迟渲染和前向渲染路径 (Deferred and Forward Rendering Paths)： HDRP 支持延迟渲染和前向渲染两种路径。延迟渲染可以处理大量光源，并实现高质量的光照效果，但对显存带宽要求较高。前向渲染则更适合处理透明物体和某些特殊效果。HDRP 允许开发者根据需求选择合适的渲染路径。

• 基于物理的渲染 (Physically Based Rendering, PBR) 高级实现： HDRP 提供了更高级的 PBR 实现，包括更精确的光照模型、材质模型和环境光照。

• 体积光照和雾效 (Volumetric Lighting and Fog)： HDRP 支持高质量的体积光照和雾效，可以营造更逼真的大气效果。

• 屏幕空间反射 (Screen Space Reflection, SSR) 和光线追踪反射 (Ray Tracing Reflection)： HDRP 提供了 SSR 和光线追踪反射两种反射技术，可以实现高质量的反射效果。光线追踪反射需要支持光线追踪的硬件。

• 光线追踪阴影 (Ray Tracing Shadows)： HDRP 支持光线追踪阴影，可以生成更精确、柔和的阴影效果。

• 全局光照 (Global Illumination, GI)： HDRP 提供了多种全局光照解决方案，包括屏幕空间全局光照 (SSGI) 和光线追踪全局光照 (RTGI)，可以实现更真实的光照反弹效果。

• 高级后处理效果 (Advanced Post-Processing Effects)： HDRP 提供了更丰富的后处理效果，例如胶片颗粒、色差、运动模糊等，可以增强画面表现力。

• Shader Graph 高级功能： HDRP 的 Shader Graph 提供了更多高级节点和功能，可以创建更复杂的 HDRP Shader。

• 可扩展性： HDRP 也提供了 Render Features 和 Render Pass API，允许开发者自定义渲染流程，但 HDRP 的管线结构更为复杂。

HDRP 的应用场景：

• 高端 PC 和主机游戏开发： HDRP 是开发具有照片级真实感的高端游戏的首选渲染管线。

• 电影和动画制作： HDRP 的高质量渲染效果使其也适用于电影和动画制作领域。

• 建筑可视化和工业设计： HDRP 可以用于创建逼真的建筑可视化和工业设计演示。

• 需要极致画面质量的应用： 任何对画面质量有极高要求的项目都可以考虑使用 HDRP。

HDRP 代码实践：自定义 Render Pass (概念示例)

由于 HDRP 的管线结构比 URP 复杂得多，自定义 Render Pass 的过程也更加复杂。这里我们提供一个概念性的代码示例，展示 HDRP 中自定义 Render Pass 的基本思路。请注意，HDRP 的 API 相对复杂，需要更深入的学习和实践才能熟练掌握。

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.HighDefinition;
public class HDRPCustomRenderPass : CustomPass
{
    public Material customMaterial; // 自定义材质
    protected override void Execute(CustomPassContext ctx)
    {
        if (customMaterial == null) return;
        // 获取渲染命令缓冲区
        CommandBuffer cmd = ctx.cmd;
        // 设置渲染目标 (例如，渲染到颜色缓冲区)
        RTHandle colorBuffer = ctx.cameraColorBuffer;
        if (colorBuffer == null) return; // 确保颜色缓冲区有效
        // 设置渲染状态 (例如，剔除、深度测试等)
        RenderStateBlock renderStateBlock = new RenderStateBlock(RenderStateMask.Raster | RenderStateMask.Depth);
        renderStateBlock.rasterState = new RasterState() { cullMode = CullMode.Back };
        renderStateBlock.depthState = new DepthState() { writeEnabled = false, compareFunction = CompareFunction.LessEqual };
        // 绘制全屏 Quad，应用自定义材质
        // 注意：HDRP 中通常使用 HDUtils.DrawFullScreen 绘制
        HDUtils.DrawFullScreen(cmd, customMaterial, colorBuffer, null, renderStateBlock, shaderPassId: 0);
    }
    protected override void Cleanup()
    {
        // 释放资源 (如果需要)
    }
}
​

代码解释 (概念性)：

• HDRPCustomRenderPass.cs 继承自 CustomPass，这是 HDRP 中自定义渲染通道的基类。

• Execute 函数是 Render Pass 的执行入口。

• CustomPassContext ctx 提供了访问渲染上下文的接口，例如命令缓冲区、渲染目标等。

• ctx.cmd 获取当前的命令缓冲区，用于执行渲染命令。

• ctx.cameraColorBuffer 获取当前的相机颜色缓冲区，可以作为渲染目标。

• HDUtils.DrawFullScreen 是 HDRP 中用于绘制全屏 Quad 的工具函数，方便应用后处理效果或自定义渲染。

• RenderStateBlock 用于设置渲染状态，例如剔除模式、深度测试等。

HDRP 渲染流程图 (简化版):

这个简化的流程图展示了 HDRP 的主要渲染阶段，可以看到 HDRP 比 URP 多了 Depth Prepass 和 GBuffer Pass 等阶段，以及更复杂的光照和后处理流程。

4.2.4 URP vs HDRP：选择合适的 SRP

URP 和 HDRP 代表了 Unity 渲染管线的两个主要方向，它们各有优势和适用场景。在选择 SRP 时，需要根据项目的具体需求进行权衡：

选择建议：

• 如果你的项目目标平台主要是移动设备、Web、VR/AR 或低端到中端 PC/主机，并且注重性能和效率，URP 是更好的选择。 URP 提供了良好的画面质量，同时保持了高性能和跨平台兼容性。

• 如果你的项目目标平台是高端 PC 或主机，并且追求极致的画面质量和照片级真实感，HDRP 是更好的选择。 HDRP 提供了最先进的渲染技术和功能，可以实现电影级别的视觉效果，但需要高性能硬件支持。

总结:

SRP 的出现是 Unity 渲染技术发展的重要里程碑，它赋予开发者更强大的渲染控制能力和定制灵活性。URP 和 HDRP 作为 Unity 官方提供的两种 SRP，分别面向不同的应用场景和目标平台。理解 SRP 的核心概念，掌握 URP 和 HDRP 的特性和使用方法，将有助于开发者构建更高效、更具表现力的 Unity 项目。通过自定义 Render Features 和 Render Passes，我们可以进一步扩展和优化渲染管线，实现各种自定义的渲染效果和性能优化。 深入学习和实践 SRP 技术，将成为现代 Unity 开发者必备的技能之一。