Real Time Rendering Unity SRP

Custom SRP笔记

Posted by FlowingCrescent on 2021-06-19
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本文为个人学习Catlike Coding的教程系列Custom SRP时的学习笔记
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Custom Render Pipeline - Taking Control of Rendering

搭建了渲染不透明、天空盒、半透明物体以及错误渲染物体的基本渲染管线
此时会发现调用到的API与RenderFeature中的相差无几，或许RenderFeature其实就是作为管线的补充内容。
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使用C#的partial关键字对类进行分割

catlike使用partial关键字将CameraRenderer类进行了拆分，将Editor模式时才运行的功能拆分了出去，
然后使用#if UNITY_EDITOR以及#endif包含了Editor模式时才运行的代码。
具体可参考官方文档
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一次DrawRenderers可包含多种ShaderTagId的物体

写法如下

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    static ShaderTagId[] legacyShaderTagIds = {
        new ShaderTagId("Always"),
        new ShaderTagId("ForwardBase"),
        new ShaderTagId("PrepassBase"),
        new ShaderTagId("Vertex"),
        new ShaderTagId("VertexLMRGBM"),
        new ShaderTagId("VertexLM")
    };


//.....
    
        var drawingSettings = new DrawingSettings(
            legacyShaderTagIds[0], new SortingSettings(camera)
        )
        {
            overrideMaterial = errorMaterial
        };

        for (int i = 1; i < legacyShaderTagIds.Length; i++)
        {
            drawingSettings.SetShaderPassName(i, legacyShaderTagIds[i]);
        }

        var filteringSettings = FilteringSettings.defaultValue;
        context.DrawRenderers(
            cullingResults, ref drawingSettings, ref filteringSettings
        );


就是给DrawingSetting调用SetShaderPassName以增加更多的Pass种类
image.png

这节做完时的效果

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2021.06.18

Draw Calls - Shaders and Batches

这一节主要是写Shader以及实现批处理，是个人比较熟悉的内容，没什么特别好讲的，但其中有一处细节是第一次知道。
关于Unity各种批处理的详细内容也可以看此文：相关文档

Clear Buffer也是一次DrawCall

第一节中有提到如果Clear的位置在SetUpCameraProperties之前，则会比较低效地调用Shader进行Clear，因此本质上算是一次绘制，这也是比较好理解的
image.png

但之后的快速Clear也是作为一次DrawCall，这在第二节中被提及：
image.png
姑且作为一个小知识记下。

image.png

这节做完时的效果

2021.06.19

Directional Lights - Direct Illumination

这一节主要是实现Directional Light以及BRDF，也就是PBR的直接光照部分，大部分也是我比较熟悉的内容

关于法线插值与归一化

在fragment shader时需要对法线进行归一化也是老生常谈的基础内容，不过个人还是第一次可视化地直观看见artifact，还是挺有趣的：
image.png

NativeArray

Catlike使用NativeArray来储存灯光数据

It’s a struct that acts like an array, but provides a connection to a native memory buffer.** It makes it possible to efficiently share data between managed C# code and the native Unity engine code.**

简单来说就是相比普通的数组，它在C#与Unity底层代码之间传递效率更高。
NativeArray官方文档

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void SetupLights()
{
    NativeArray<VisibleLight> visibleLights = cullingResults.visibleLights;
    int dirLightCount = 0;
    for (int i = 0; i < visibleLights.Length; i++)
    {
        VisibleLight visibleLight = visibleLights[i];
        if (visibleLight.lightType == LightType.Directional)
        {
            SetupDirectionalLight(dirLightCount++,ref visibleLight);
            if (dirLightCount >= maxDirLightCount)
            {
                break;
            }
        }
    }

    buffer.SetGlobalInt(dirLightCountId, visibleLights.Length);
    buffer.SetGlobalVectorArray(dirLightColorsId, dirLightColors);
    buffer.SetGlobalVectorArray(dirLightDirectionsId, dirLightDirections);
}

就用法上而言可以说跟数组相差无几

Shader GUI

其实这是个人第一次做Shader GUI相关的内容，做过一次之后发现其实跟Editor拓展编辑器极为神似，Unity在这方面还是挺方便的。
总之，在Shader结尾写上CustomEditor "CustomShaderGUI"
然后将CustomShaderGUI.cs放入Editor文件夹下表示是个Editor程序即可
最关键的就是调用OnGUI()函数

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public override void OnGUI(MaterialEditor materialEditor, MaterialProperty[] properties)
{
    //绘制原有的材质GUI
    base.OnGUI(materialEditor, properties);

    //对自定义GUI所必要的变量进行赋值
    editor = materialEditor;
    materials = materialEditor.targets;
    this.properties = properties;

    EditorGUILayout.Space();
    //嵌套选项
    showPresets = EditorGUILayout.Foldout(showPresets, "Presets", true);
    if (showPresets)
    {
        OpaquePreset();
        ClipPreset();
        FadePreset();
        TransparentPreset();
    }
}

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其对Property的变量进行赋值的做法如下：

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bool SetProperty(string name, float value)
{
    MaterialProperty property = FindProperty(name, properties, false);
    if (property != null)
    {
        property.floatValue = value;
        return true;
    }
    return false;
}
void SetProperty(string name, string keyword, bool value)
{
    if (SetProperty(name, value ? 1f : 0f))
    {
        SetKeyword(keyword, value);
    }
}

是Keyword的就增加个Keyword值设置，同时还要将Property的float进行修改。
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image.png

这节做完的效果

2021.06.21

Directional Shadows - Cascaded Shadow Maps

这一节内容相当多，阴影的原理虽然早就了解，但是实现起来还是比较繁琐复杂。

万能的CullingResults

在前几节的时候还觉得CullingResults类就是单纯的储存被裁剪后的物体的类，但后来发现这个类能做的事情相当多，且与Shadow Map的实现强相关。
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cullingResults.ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives(
    light.visibleLightIndex, i, cascadeCount, ratios, tileSize,
    light.nearPlaneOffset, out Matrix4x4 viewMatrix,
    out Matrix4x4 projectionMatrix, out ShadowSplitData splitData
);

可通过它自带的ComputeDirectionalShadowMatricesAndCullingPrimitives()获取VP矩阵以及SplitData，可以说有这几项内容之后普通的ShadowMap基本就实现完了……
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而这个cullingResults的获取也十分简单（取自CameraRenderer.cs）：

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bool Cull (float maxShadowDistance) {
	if (camera.TryGetCullingParameters(out ScriptableCullingParameters p)) {
		p.shadowDistance = Mathf.Min(maxShadowDistance, camera.farClipPlane);
		cullingResults = context.Cull(ref p);
		return true;
	}
	return false;
}

最后调用context.DrawShadows进行shadowmap的绘制：

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var shadowSettings = new ShadowDrawingSettings(cullingResults, light.visibleLightIndex);

//......
    
shadowSettings.splitData = splitData;

//......
    
context.DrawShadows(ref shadowSettings);

可发现这里也还是有cullingResults的存在

Shadow Texture的一些特殊设置

Shadow Texture从它刚申请来的时候就是那么的与众不同：

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buffer.GetTemporaryRT(
	dirShadowAtlasId, atlasSize, atlasSize,
	32, FilterMode.Bilinear, RenderTextureFormat.Shadowmap
);

奢华的32bit，还有Unity根据平台自适应的TextureFormat。
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buffer.SetRenderTarget(
	dirShadowAtlasId,
	RenderBufferLoadAction.DontCare, RenderBufferStoreAction.Store
);

关于RenderBufferLoadAction：

This enum describes what should be done on the render target when it is activated (loaded).
When the GPU starts rendering into a render target, this setting specifies the action that should be performed on the existing contents of the surface. Tile-based GPUs may get performance advantage if the load action is Clear or DontCare. The user should avoid using RenderBufferLoadAction.Load whenever possible.

Please note that not all platforms have load/store actions, so this setting might be ignored at runtime. Generally mobile-oriented graphics APIs (OpenGL ES, Metal) take advantage of these settings.

设置为DontCare就是说读取这个RenderBuffer时不对它的内容进行任何处理
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Shadow Pancaking

由于ShadowCaster渲染时，相机的near plane会尽可能地靠近物体以提高精度，但这也可能导致有些物体的个别顶点比near plane更加靠近相机而被剔除
image.png

然而当物体本身就交错于near plane两边时，还是会存在artifact，这是就要将near plane进行后（向相机）移
image.png

Culling Bias

由于Cascade Shadow Map会在Shadow Texture上多次绘制同一物体，为了减少Draw Call，就尽可能剔除已经在较低层级的Cascade中绘制过了的物体，因此有了Culling Bias的概念。
image.png

image.png

这节做完的效果

2021.06.23

Baked Light - Light Maps and Probes

Light Probe Proxy Volumes

由于光照探针是逐物体使用（一个物体对应一个探针的信息），因此若物体过大，其间接光照信息便容易出错，此时便可以使用Light Probe Proxy Volumes，简称LPPVs。
image.png
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但Catlike提到，此时探针只会使用L1SH的信息，因此会显得精度较低。这也是能够理解的，毕竟是动态更新，应当尽量减少计算量。

Meta Pass

因为间接漫射光应该受到这些物体表面的反射率的影响，因此需要新定义一个Meta Pass，用来补完烘焙间接光的颜色。
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其中最重要的就是Fragment：

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float4 MetaPassFragment(Varyings input): SV_TARGET
{
	float4 base = GetBase(input.baseUV);
	Surface surface;
	ZERO_INITIALIZE(Surface, surface);
	surface.color = base.rgb;
	surface.metallic = GetMetallic(input.baseUV);
	surface.smoothness = GetSmoothness(input.baseUV);
	BRDF brdf = GetBRDF(surface);
	float4 meta = 0.0;
	if (unity_MetaFragmentControl.x)
	{
		meta = float4(brdf.diffuse, 1.0);
		meta.rgb += brdf.specular * brdf.roughness * 0.5;
		meta.rgb = min(
			PositivePow(meta.rgb, unity_OneOverOutputBoost), unity_MaxOutputValue
		);
	}
	else if (unity_MetaFragmentControl.y)
	{
		meta = float4(GetEmission(input.baseUV), 1.0);
	}
	return meta;
}

其实与普通Pass的Frag没什么特别的区别

image.png

这节做完时的效果

2021.06.27

Shadow Masks - Baking Direct Occlusion

这一节内容较少，主要还是实现Shadow Mask以及Distance Shadow Mask

逻辑或运算符 |

CameraRenderer中有这么一段写法，我一直很在意其中"|"的用法：

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var drawingSettings = new DrawingSettings(
    unlitShaderTagId, sortingSettings
)
{
    enableDynamicBatching = useDynamicBatching,
    enableInstancing = useGPUInstancing,
    perObjectData =
        PerObjectData.Lightmaps | PerObjectData.ShadowMask |
        PerObjectData.LightProbe | PerObjectData.OcclusionProbe |
        PerObjectData.LightProbeProxyVolume |
        PerObjectData.OcclusionProbeProxyVolume
};

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而PerObjectData是一个枚举类型：

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public enum PerObjectData
{
    //
    // 摘要:
    //     Do not setup any particular per-object data besides the transformation matrix.
    None = 0,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object light probe SH data.
    LightProbe = 1,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object reflection probe data.
    ReflectionProbes = 2,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object light probe proxy volume data.
    LightProbeProxyVolume = 4,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object lightmaps.
    Lightmaps = 8,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object light data.
    LightData = 16,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object motion vectors.
    MotionVectors = 32,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object light indices.
    LightIndices = 64,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object reflection probe index offset and count.
    ReflectionProbeData = 128,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object occlusion probe data.
    OcclusionProbe = 256,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object occlusion probe proxy volume data (occlusion in alpha channels).
    OcclusionProbeProxyVolume = 512,
    //
    // 摘要:
    //     Setup per-object shadowmask.
    ShadowMask = 1024
}

每个值都是2的n次方
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官方文档中如此解释"|"：
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也就是说，对于c中每一个二进制位，如果ab两者中对应的二进制位有一个是1，则这个二进制位值即为1
如果再形象一些表达，就是一排电闸，每个电闸对应一盏灯，上面perObjectData的赋值其实就是打开对应灯的开关。
还是挺有意思的写法。
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关于矢量值的通道选择

在进行多光源Shadowmask采样时需要对通道进行选择，Catlike此处使用float4 value[channel]的写法来获取对应的通道值，他也解释了为什么不是手动传入一个float4值来点乘获取（如获取r通道值则传入float4(1, 0, 0, 0)来dot）。
实际上value[channel]的写法，GPU会帮我们编译成之前所说的传入对应通道值为1的float4值进行点乘，如果我们还写成点乘，则还得额外设置一个float4数组，反而变得麻烦了。
image.png

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这节做完时的效果

2021.06.29

LOD and Reflections - Adding Details

这节主要就是实现LOD和反射探针，内容也比较少。

LOD Bias

已知LOD是根据距离判断物体所占屏幕比例大小，来进行模型和贴图的切换以减少渲染开销。而LOD Bias则是对这一比例进行调整：

image.png

LOD Bias = 2.0（默认值）

image.png

LOD Bias = 1.0

可以看出其实就是单纯在比例上增加一个乘法。
如果更感性来说，就是LOD Bias越大，对设备性能要求越高，LOD Bias越低则设备性能要求越低。

LOD Cross Fade

由于单纯进行LOD模型的切换会导致跳变，导致观感较差，因此在切换时也要追求自然，便有了Cross Fade
Cross Fade其实就是对进行切换的两级LOD模型都进行渲染，此时在Shader里通过Clip来进行切换，写法如下：

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void ClipLOD (float2 positionCS, float fade) {
	#if defined(LOD_FADE_CROSSFADE)
		float dither = InterleavedGradientNoise(positionCS.xy, 0);
		clip(fade + (fade < 0.0 ? dither : -dither));
	#endif
}

float4 LitPassFragment(Varyings input): SV_TARGET
{
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);

    ClipLOD(input.positionCS.xy, unity_LODFade.x);
//......
}

通过算法可以看出，正在消隐的LOD模型，fade值会大于0且不断减小，而正在出现的LOD模型fade值则小于零而不断增加。
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倒是其中调用的InterleavedGradientNoise函数非常值得挖掘，它被定义在srp自带的Random.hlsl中：

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//From  Next Generation Post Processing in Call of Duty: Advanced Warfare [Jimenez 2014]
// http://advances.realtimerendering.com/s2014/index.html
float InterleavedGradientNoise(float2 pixCoord, int frameCount)
{
    const float3 magic = float3(0.06711056f, 0.00583715f, 52.9829189f);
    float2 frameMagicScale = float2(2.083f, 4.867f);
    pixCoord += frameCount * frameMagicScale;
    return frac(magic.z * frac(dot(pixCoord, magic.xy)));
}

Animated Cross-Fading

如果只用了Cross Fade而没有开启Animated Cross-Fading，那么当摄像机与物体距离正好在两个LOD层级切换的阈值之间时，便会看见物体上的切换Noise：
image.png

显然我们并不希望玩家看清楚这些玩意，而Animated Cross-Fading便是为此而开发。
如果摄像机达到了LOD切换的距离阈值，那么LOD Group就会用半秒（即LODGroup.crossFadeAnimationDuration的默认值）的时间在两个LOD层级之间切换，不会出现玩家停留在某一距离，而LOD切换也停留在一半的情况。
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这节完成时的效果

2021.06.30

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Complex Maps - Masks, Details, and Normals

这节就是用上各种Texture，没什么特别值得讲的内容
其中提及的相对陌生一些的内容应当也就是关于纹理压缩格式了

DXT5

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根据压缩格式的不同，采用使用的函数也不一样，DXT5（即BC3）会将原本R通道的值移到A通道（8bits），G通道不变（6bits），其余两通道则为5bits。
image.png

2021.08.09

to be continue

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