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第二十章渲染管线

咆哮的程序猿 2023-07-06 19:13:41

简介第二十章渲染管线

渲染管线是计算机图形中最基础最核心的部分，它是将3D场景显示到2D平面的技术过程。在DirectX课程中，我们就介绍了渲染管线，分为固定渲染管线和可编程渲染管线（Shader）。但是在DirectX 10版本之后统一了渲染架构，就是将顶点着色器和像素着色器被合二为一，成为流处理器，它将同时负责顶点着色和像素着色。这使得GPU的利用率更加高，也避免了传统架构中由于资源分配不合理引起的资源浪费现象。最新的DX11也是采用流处理器的统一渲染架构。Unity开发Windows平台下的游戏时候采用的底层图形API肯定首选DirectX，我们点击菜单栏“Edit” -> “Project Settings”，然后选择 Player 类别并导航到 Other Settings选项，如下所示：

这里Unity会为我们的游戏运行平台自动选择合适的图形API。当我们取消自动勾选框的时候，Unity会给我们一个下拉选择框，让我们可以自定义使用那个图形API。大家应都清楚，最著名的图形API当属DirectX和OpenGL。我们可以看到Unity提供给我们的下拉选择框第一个就是Direct3D11，当然我们也可以选择其他（不建议）。

Unity对渲染管线的支持也经历了不同的发展阶段。

截止Unity2020版本而言，可以分为三种渲染管线，如下所示：

1．内置渲染管线是Unity的默认渲染管线。这是通用的渲染管线，其自定义选项有限。

Unity的内置渲染管线是 Unity 较陈旧的渲染管线。它并非基于可编程渲染管线。

2．通用渲染管线 (URP) 是一种可快速轻松自定义的可编程渲染管线，允许您在各种平台上创建优化的图形。通用渲染管线是由 Unity 制作的预构建可编程渲染管线。URP让您在移动平台、高端游戏主机和 PC 等各种平台上快速轻松地创建优化的图形。

3．高清渲染管线 (HDRP) 是一种可编程渲染管线，可让您在高端平台上创建出色的高保真图形。高清渲染管线是由 Unity 预先构建的可编程渲染管线。借助 HDRP 可以为高端平台创建出色的高保真图形。HDRP 可以用于高品质AAA 级游戏，但需要兼容的 GPU 硬件。

URP专注于性能，偏向移动端和低端机器，它拥有很多HDRP相同的功能，但为了在所有平台达到更好的性能，其做了一定的缩减，但这并不意味着URP做不出漂亮的东西。HDRP专注于高端图形渲染，以画面为主 , 偏向高端机器和影视，但要想得到完成利用HDRP的完美表现能力，需要大量的贴图，漫反射贴图、高光贴图、金属贴图、平滑贴图、AO贴图、法线贴图、凹凸贴图、高度贴图，所以不是对效果有特别大需求的话慎入。

HDRP提供高级和丰富的光照功能，比如实时全局光照（RealTime GI），能够模拟光线反射、体积光、能模拟光穿过空气中的粒子，还有重头戏的光线跟踪，一种新的光线反射和阴影渲染技术，其原理是跟踪光线在场景中放射的路径，模拟光线在真实世界里与物体交互的效果，这技术对硬件性能非常高，但能产生非常逼真的效果，可以直接用来做电影级别的预渲染作品。另外一个区别是Shader，HDRP提供一系列高端的shader特效，例如高度、细节和parallax Maps，分别用于纹理的位移、细节和深度模拟，它还支持子面散射，用于模拟光线穿过很薄的物体，比如皮肤和衣物，它提供了高级的shader，像是stacklit，能够让你同时使用多个材质的属性，比如子面散射、彩虹色、各向异性和模糊参数化。但好东西不是都在HDRP，2D光照和阴影就是URP独占的，所以如果你在做2D游戏，就选URP。

总结：如果是真实地游戏开发，尤其是手机端开发的话，可以考虑使用URP；如果是PC端游戏开发，并且有足够的美术人员支持，可以考虑使用HDRP开发AAA级游戏。很明显，三种渲染管线逐级提升游戏画面的品质，当然也需要高性能的GPU的支持。对于我们学习来讲，Unity的默认渲染管线就已经足够了。

如何在我们工程使用选择那个渲染管线呢？

首先是创建工程的时候，我们就可以进行选择，如下所示：

我们之前选择的“3D”就是Unity的默认渲染管线，其他两个红色线框标注的分别是“HDRP”和“URP”，从他们的名字上我们就能够看出来。下面是一个“URP”的工程，Unity会自动给我们创建一个默认场景，如下所示。

我们直接Play运行后的效果如下

如果忽略一些细节的话，整体的渲染效果还是不错的，场景中的地面，墙面以及木棍等等游戏对象都很栩栩如生，光影效果也非常不错。相比于多年前的一些国内游戏，画面提升很多。

相对于普通的“3D”工程（默认渲染管线）而言，他们之间有什么区别呢？

我们可以从“Package Manger”窗口查看一下，下面是普通的“3D”工程。

下面是“URP”工程的截图

我们发现，增加了一个“Univeral RP”的包，这就是Unity自定义的通用渲染管线。请大家注意的是，渲染管线的选择只是提升我们的游戏画质，模拟更加逼真的三维场景，对于我们的游戏逻辑影响并不是很大，更多的在于美术设计人员的工作内容。

当然，我们还可以继续创建一个“HDRP”工程，Unity也同样给我们提供了一个默认的场景，我们可以运行查看它的效果，如下所示：

我们可以查看它的“Package Manger”窗口

这个HDRP场景是三个房间，我们可以直接Play运行，查看效果。

鼠标可以选择视角，使用WASD进行移动，我们进入下一个房间

我们还可以继续向前移动，进入第三个房间

如果你是NVIDIA GeForce RTX系列的显卡，那么效果比截图更加逼真。

接下来，我们介绍一下如何将默认的渲染引擎升级到通用渲染引擎，首先我们创建一个“U3DProject”的“3D”工程。为了演示升级渲染引擎的效果，我们创建一个平面Plane和一个立方体Cube游戏对象，如下所示

两个游戏对象都位于世界坐标系的原点（0,0,0）位置。这里需要注意的是，由于Cube的轴心位于中心位置，并且Cube的默认尺寸就是一个Unity单位长度（1米）。因此，我们将Cube置于世界坐标系原点的时候，它有一半的部分是在地面的下面的。因此，我们将Cube的Position属性的Y值提高到0.5即可。这样整个Cube就位于平面的上面了。接下来，我们分别创建两个颜色材质，一个名称为CubeMaterial，一个名称为PlaneMaterial。

创建材质的方式为，在Project工程面板空白处右击，然后选择“Create”->“Material”。新创建的材质文件，默认处于重命名状态，我们直接录入材质名称即可。如下所示