【渲染流水线】[应用阶段]-[渲染命令队列]以UnityURP为例

应用阶段最后是CPU向GPU提交需要渲染的数据。通常数据会被复制到显存中,然后设置渲染参数,最后调用渲染接口。PC中是这样的,但是移动设备一般没有单独的显存。使用内存为GPU服务。他们使用同一内存地址。除非要读/写这段内存内容才会复制出一份调整CPU和GPU之间协作。

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

渲染状态

  • 一连串开关或方法,以及方法的地址指向(阶段中的各种可配置的阶段等都是在这里)。SetPassCall。例如是否开启混合、用哪个纹理、哪个顶点着色器、是否背面剔除等,在Unity中则是ShaderLab语法规则中规定的各种标签。

渲染指令

  • 调用具体渲染的对象。drawcall是一个渲染指令,这个指令仅指向一连串图元(点线面 网格拆分后的状态),并不会包含任何其他材质信息。每个状态前都伴随着一连串渲染状态设置,所以渲染命令队列中,渲染状态和渲染指令是交替出现。

渲染命令队列

  • 其中包含渲染状态、渲染指令的缓冲区。CPU向缓冲区放入指令,GPU执行指令。CPU发送渲染状态后,CPU需要控制总线将数据从内存搬运到显存,搬运过程耗费大量时间。drawcall多了后会导致大量内存搬运,运行速度下降。

打包数据

模型信息

模型数据主要从网格资源(Mesh)中获取,包含以下核心属性:

  1. 顶点坐标‌描述模型局部空间的顶点位置坐标(x, y, z)。
  2. 法线信息‌定义顶点朝向,用于光照计算和表面平滑度。
  3. UV信息‌二维纹理映射坐标(u, v),范围[0,1],控制贴图在模型表面的分布。
  4. 切线向量‌与法线配合构建切线空间,用于法线贴图等高级渲染效果。
  5. 顶点颜色‌存储逐顶点颜色值,可用于特殊着色效果。
  6. 索引列表‌定义顶点连接顺序,优化绘制效率(减少重复顶点)
  • 数据来源 ‌:
    • 由建模工具(如Blender/Maya)导出时生成,随模型文件(.fbx/.obj)导入Unity。

    • 程序化网格通过Mesh类API动态设置(如mesh.vertices, mesh.uv

    • 变换矩阵

      矩阵数据由CPU计算并传递给GPU:

      • 模型矩阵 Model Matrix(M) ‌模型局部坐标→世界坐标,由物体的Transform组件(位置/旋转/缩放)计算得出。

        • 计算顺序:缩放 → 旋转 → 平移(SRT)
      • 视图矩阵 View Matrix(V) ‌世界坐标→摄像机坐标,基于Camera组件的位姿(位置/朝向/上方向)生成。

        • 计算原理:先逆平移(摄像机到原点),再逆旋转(对齐坐标轴)
      • 投影矩阵 Projection Matrix(P) ‌摄像机坐标→齐次裁剪坐标,通过相机参数计算:

        • 参数来源:FOV、近/远裁剪面、宽高比
        • 透视投影(近大远小)或正交投影(等比例缩放)
        • Field of View (FOV):视角范围
        • Near/Far Clipping Planes:近远裁剪平面
        • Aspect Ratio:屏幕宽高比。
      • MVP矩阵 ‌最终变换矩阵:MVP = P × V × M

      • 计算主体与存储位置

        矩阵类型 计算者 存储位置(GPU端) 访问方式(Shader)
        模型矩阵 (M) Transform组件 (CPU计算) unity_ObjectToWorld UNITY_MATRIX_M
        视图矩阵 (V) 摄像机组件 (CPU计算) unity_MatrixV UNITY_MATRIX_V
        投影矩阵 (P) 摄像机投影参数 (CPU计算) unity_MatrixP UNITY_MATRIX_P
        MVP矩阵 Shader运行时组合 无独立存储 mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(UNITY_MATRIX_M, pos))
      • 计算时机

        • CPU端:每帧渲染前更新(物体Transform或摄像机移动时)。
        • GPU端:通过UNITY_MATRIX_VP(视图投影矩阵)与UNITY_MATRIX_M(模型矩阵)在顶点着色器动态组合
      • 优化机制

        • URP预计算VP矩阵(视图投影联合矩阵),减少GPU计算量。

        • 使用UnityObjectToClipPos内置函数直接完成MVP变换:

          hlsl 复制代码
          hlsl
          float4 clipPos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 内部实现:mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(UNITY_MATRIX_M, v.vertex))

灯光、材质参数

  • 灯光参数
    • 光源属性 ‌:位置、颜色、强度、衰减等,源自场景中的Light组件。
    • 阴影参数 ‌:阴影强度、分辨率,通过URP光源设置(如UniversalAdditionalLightData)配置。
  • 材质数据
    • Shader与材质属性 ‌:漫反射颜色、高光强度等,由Material实例定义。
    • 纹理贴图 ‌:通过材质绑定(如_MainTex),从纹理资源加载。

数据传递流程‌:

应用阶段通过SetPassCall设置渲染状态(Shader/材质),并通过DrawCall提交图元列表

Batch

  • 把数据加载到显存,设置渲染状态,CPU调用GPU渲染的过程称之为一个Batch。

Unity URP渲染管线中的渲染状态和渲染命令的实现

一、‌渲染状态设置(SetPassCall)‌

  • ScriptableRenderer类

    • 位于UniversalRenderer.cs中,负责管理URP的默认渲染流程。
    • 调用EnqueuePass方法将渲染Pass(如DrawObjectsPass)加入队列。
  • CommandBuffer类

    • 通过CommandBufferPool.Get获取实例,录制渲染指令。

    • 关键方法:

      csharp 复制代码
      csharp
      cmd.SetRenderTarget()// 绑定渲染目标
      cmd.SetGlobalTexture()// 设置全局纹理
      cmd.SetViewProjectionMatrices()// 设置VP矩阵
  • Material与Shader

    • 材质状态通过Material.SetPass方法设置,触发底层SetPassCall
    • URP通过ShaderData类管理着色器变体(Variant)的切换。

二、‌图元提交(DrawCall)‌

  • ScriptableRenderContext类

    • 核心方法Submit提交所有录制的CommandBuffer到GPU。

    • 调用链:

      csharp 复制代码
      csharp
      context.ExecuteCommandBuffer(cmd);// 执行指令
      context.DrawRenderers()// 触发DrawCall
  • DrawingSettings与FilteringSettings

    • DrawObjectsPass.Execute中配置:

      csharp 复制代码
      csharp
      var drawSettings = new DrawingSettings(...);// 指定Shader Pass和排序var filterSettings = new FilteringSettings(...);// 设置渲染队列和层级
      context.DrawRenderers(...);// 最终提交
  • Graphics.DrawMesh

    • 直接提交网格数据的备选API,绕过URP流程但效率较低。

三、关键脚本位置

功能 脚本文件 核心方法
渲染流程控制 UniversalRenderer.cs AddRenderPasses, Execute
指令录制 CommandBuffer.cs Clear, DrawMesh, Blit
材质状态管理 Material.cs SetPass, SetShaderPassEnabled
数据提交 ScriptableRenderContext.cs Submit, DrawRenderers

四、执行流程示例

csharp 复制代码
csharp
// 在ScriptableRenderPass中实现
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渲染管线中的应用阶段渲染命令队列及渲染队列实现

在Unity URP渲染管线的应用阶段,渲染命令队列包含一系列图形命令,主要用于调度和执⾏渲染操作,例如清除缓冲区、绘制几何体、设置材质和着色器参数、处理光源阴影,以及执行后处理效果。

这些命令通过ScriptableRenderContext接口进行管理,该接口作为C#代码与Unity底层图形引擎的桥梁,确保命令按序列化顺序提交GPU处理。队列内容包括:

  • 缓冲区清除命令(如颜色缓冲和深度缓冲)。
  • 几何体绘制命令(调用DrawMeshDrawProcedural)。
  • 状态设置命令(如设置视口、混合模式)。
  • 阴影贴图生成命令(针对动态光源)。
  • 后处理Pass(如抗锯齿或景深应用)。这些命令在每帧的渲染循环中被动态生成和执行,以支持前向渲染策略和性能优化。

URP中的渲染队列实现主要由ScriptableRenderPass类完成,它定义了Pass的执行顺序和具体渲染逻辑。具体脚本流程如下:

渲染队列管理‌:

  • 渲染队列 (如RenderQueueRange.opaqueRenderQueueRange.transparent)在ScriptableRenderPass的构造函数中指定,通过字段如renderPassEvent控制Pass的执行时机(例如在相机渲染前或后)。

  • 例如 ,一个基本的Pass脚本会继承自ScriptableRenderPass,并在其Configure方法中设置队列优先级:这里,Execute方法包含具体命令队列的实现,使用CommandBuffer来录制命令(如cmd.ClearRenderTarget),并通过ScriptableRenderContext提交。

    csharp 复制代码
    csharp
    public class CustomRenderPass : ScriptableRenderPass
    {
        public override void Configure(CommandBuffer cmd, RenderTextureDescriptor cameraTextureDescriptor)
        {
    // 设置队列范围为不透明对象
            renderPassEvent = RenderPassEvent.BeforeRenderingOpaques;
        }
        public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
        {
    // 执行命令,如绘制或清除
            CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get();
            context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
            CommandBufferPool.Release(cmd);
        }
    }

脚本集成‌:

  • ScriptableRenderer(如UniversalRenderer)中,渲染队列通过m_ActiveRenderPassQueue列表管理。
  • Setup阶段调用AddRenderPasses方法收集所有关联的ScriptableRenderPass实例(来自RendererFeature),并按事件顺序排序;Execute阶段遍历列表执行每个Pass的Execute方法。
  • 例如,UniversalRenderPipeline.Render方法驱动整个流程:此脚本位于URP核心程序集(如UniversalRenderPipeline.cs),依赖于UniversalRenderPipelineAsset提供配置
csharp 复制代码
csharp
protected override void Render(ScriptableRenderContext context, List<Camera> cameras)
{
// 排序相机并逐个处理foreach (var camera in cameras)
    {
        var renderer = cameraData.renderer;
        renderer.Execute(context, ref renderingData);// 执行Pass队列
    }
}

在Unity URP中,ShaderLab配置的渲染状态(如剔除、深度测试、混合模式等)的处理流程

一、状态读取与存储机制

ShaderLab解析阶段

  • URP通过ShaderCompiler解析ShaderLab代码,将CullZTestBlend等指令转换为底层渲染状态标识符。
  • 解析结果存储在ShaderData结构中,包含渲染状态变体(Variant)和材质属性。

GPU状态设置阶段

  • 运行时由CommandBuffer录制指令(如cmd.SetRenderTargetcmd.SetGlobalDepthBias),通过ScriptableRenderContext.Submit提交到GPU。
  • 关键存储位置:
    • 剔除模式 ‌:存于RenderStateBlock.cullMode,通过DrawingSettings传递给DrawRenderers调用。
    • 深度测试/写入 ‌:通过DepthState结构(含ZWriteZTest)配置,最终写入GPU深度缓冲区。
    • 混合模式 ‌:由BlendState管理(含BlendOpSrcFactor等参数),绑定到渲染管线状态。

URP运行时管理

  • UniversalRendererAddRenderPasses阶段收集所有Pass的渲染状态,合并到RenderStateBlock
  • 通过MaterialPropertyBlock动态覆盖材质属性(如运行时修改_ZWrite)。

二、关键脚本与调用链

功能 脚本/类 核心方法 数据流向
Shader解析 ShaderCompiler CompileShader ShaderLab → ShaderData
状态录制 CommandBuffer SetRenderState CPU → GPU指令队列
Pass执行 DrawObjectsPass Execute 通过DrawingSettings传递状态
动态修改 MaterialPropertyBlock SetFloat/SetInt 运行时覆盖Shader参数

三、使用示例(URP中动态修改深度测试)

hlsl 复制代码
hlsl
// ShaderLab中声明深度测试
SubShader {
    Pass {
        ZWrite On
        ZTest LEqual
    }
}
  • 运行时读取 ‌:通过Material.GetInt("_ZWrite")获取状态。

  • 动态修改‌:

    csharp 复制代码
    csharp
    var block = new MaterialPropertyBlock();
    block.SetInt("_ZWrite", 0);// 禁用深度写入
    renderer.SetPropertyBlock(block);

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

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