【渲染流水线】[应用阶段]-[渲染命令队列]以UnityURP为例

前情提要

【渲染流水线】主线索引-从数据到图像以UnityURP为例-CSDN博客

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。

（对渲染的探索是个持续不断完善的过程，记录这个过程将零散的内容整理起来，其中肯定会有理解偏差和问题，如果哪里有问题，欢迎在评论区探讨和指出）

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
        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
    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
    context.ExecuteCommandBuffer(cmd);// 执行指令
    context.DrawRenderers()// 触发DrawCall
    

• ‌DrawingSettings与FilteringSettings‌

  • 在DrawObjectsPass.Execute中配置：

    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

四、执行流程示例

csharp
// 在ScriptableRenderPass中实现
public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData data) {CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get("CustomPass");cmd.SetRenderTarget(...);// SetPassCallcmd.DrawMesh(...);// DrawCallcontext.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DrawMesh或DrawProcedural）。
• 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.opaque或RenderQueueRange.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
  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‌：

• 在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
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Cull、ZTest、Blend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.SetRenderTarget、cmd.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ZWrite、ZTest）配置，最终写入GPU深度缓冲区。
  • ‌混合模式‌：由BlendState管理（含BlendOp、SrcFactor等参数），绑定到渲染管线状态。

‌URP运行时管理‌

• UniversalRenderer在AddRenderPasses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

三、使用示例（URP中动态修改深度测试）

hlsl
// ShaderLab中声明深度测试
SubShader {Pass {ZWrite OnZTest LEqual}
}

• ‌运行时读取‌：通过Material.GetInt("_ZWrite")获取状态。

• ‌动态修改‌：

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

（欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，🙏）