Unity 轻量级渲染管线LWRP/URP详解

Unity 可编程渲染管线, LWRP轻量级渲染管线(Light Weight Render Pipeline)出来有一段时间了, 今天写一遍文章，详细的介绍一下可编程渲染管线与LWRP轻量级渲染管线相关内容，帮助大家搞懂这些概念，并建立起一个学习可编程渲染管线/轻量级渲染管线的思维。整个文章我将会分成4个部分来个大家讲解:

(1): 什么是渲染管线与向前渲染;

(2): 什么是可编程渲染管线;

(3): 轻量级渲染管线与它的基本使用;

(4): 轻量级渲染管线Shader 模板结构;

每个Unity版本，实现的轻量级渲染管线LWRP的代码可能都不一样，但是思路原理基本都差不多。

1: 什么是渲染管线与向前渲染

我本人非常反对高大上的概念包装，唯独游戏中的"渲染"是例外之一。通俗点说渲染就是烘托出相应的环境(光照,阴影，遮挡，反射，折射等)，把物体在特定的环境中绘制出来。Unity引擎里把引擎中完成整个游戏场景，人物, 环境，光照等游戏画面绘制相关，最终把画面绘制到屏幕上的整套逻辑与相关代码(普通代码与Shader代码)称为渲染管线。

Unity引擎的渲染管线主要分为"渲染核心库"与"渲染策略"两个部分, “渲染核心库”是Unity把基于OpenGL/DirectX把渲染相关的接口函数封装成API，这部分Unity引擎写好后作为核心的API渲染库。”渲染策略”指的是Unity引擎绘制整个游戏场景的时候，如何处理多相机，多光源，阴影投射，物体绘制，雾,自发光等。这个就叫做渲染策略，渲染管线基于一种渲染策略，调用渲染核心库中的API，把整个游戏场景绘制出来。

早期的Unity引擎，把整个渲染管线都内置在引擎里面，没有开放给开发者，只有少数的一些大厂，获得了Unity引擎源码授权，能修改和定制里面的渲染管线相关代码。Unity内置的渲染管线有: 向前渲染，延时渲染等，目前这两种用的比较多。Unity引擎默认使用"向前渲染"。接下来我说一下向前渲染管线中的一个渲染策略,为了后面对比轻量级渲染管线做好铺垫。向前渲染管线可以处理任意多的光源,处理多光源的时候，每个重要光源，都会调用一次Shader里面的Pass来完成渲染，有几个重要光源就会渲染几次，这样大大降低了多光源时候的绘制效率。所以之前我们很多手机游戏上面都用静态光照来渲染场景，获得逼真的光照效果，因为向前渲染管线多光源的实时计算开销实在太大。静态光照有一个问题就是无法获得实时光照的效果。

2: 什么是可编程渲染管线

前面个讲解了渲染管线与内置的先前渲染管线，我们会发现内置的渲染管线的策略有时候不满足我们的要求，比如我们需要实时光照，又需要好的性能，那么向前渲染每个光照都走一次Pass显然不合适，做手机游戏，可能只要4个光源就可以了，不用支持任意多的光源，随着unity可以开发越来越多的游戏平台，不同平台，不同类型的游戏越来越需要能修改渲染管线相关的策略，到达好的效果，同时有好的性能。Unity新版本推出了可编程渲染管线，把渲染管线里面的渲染API核心库开放给开发者，允许开发者自己定制渲染策略。Unity引擎提供了一整套可以定制渲染管线的机制，所以叫做可编程渲染管线SRP(Scriptable Render Pipeline)。

3: 轻量级渲染管线与它的基本使用

内置的渲染管线是针对通用情况，比如支持任意数目的光源等，所以很多策略并不是特定的环境下，针对特定应用场景而得到的最佳的策略，现在手机游戏非常的广泛，还有很多其它的游戏平台，需要好的渲染效果的同时，需要一个好的性能。比如我就希望有多光源的实时光照，我的角色到了光源附近能渲染出光的效果出来，而不是使用静态光照那样。同时我们又不需要任意多的光源，只要限定一个光源数目即可，比如4个。这样就可以通过定制渲染管线,提升性能，比如我们最多支持4个光源，我把所有光源的计算一起放到一个Pass里面,这样提升性能的同时，又获得实时的光照，虽然对光源的数目做了一些限制(轻量化),却获得了效果和性能的一个灵活的平衡。Unity 针对手游等应用领域,开发了轻量级渲染管线(LWRP)，后来基于轻量级渲染管线又衍生出来另外一个渲染管线Universal Render Pipeline(URP,这边文章我们用的是URP的代码)。

渲染管线的渲染策略被定制了，渲染的时候需要Shader来配合最终绘制物体出来，所以不同的渲染管线Shader会不一样，我们之前学习的Shader开发都是针对向前渲染管线的，比如轻量级渲染管线所有光照计算都在一个Pass,那么之前向前渲染的Shader肯定就不能直接使用了。所以当我们定制了新的渲染管线以后，还要基于新的渲染管线的策略重新开发一个Shader包(PBR Shader, 粒子, 雾,天空盒等)，这个Shader包能满足大部分的3D游戏开发的需求，同时我们也可以基于新的渲染管线的策略来开发自己的Shader。

总结一下定制渲染管线的主要的3个点:

(1) 渲染核心功能的API，由引擎开放给开发者调用;

(2) 定制渲染策略，开发者根据自己游戏的情况来定制自己的渲染管线，达到最好性能;

(3) 基于渲染管线的渲染策略，开发出对应的Shader包;

完全从头到尾定制一个渲染管线并不容易，幸运的是Unity引擎为我们做好了轻量级的渲染管线，满足我们做手机游戏的绝大部分的需求。我们只要使用就可以了，如何使用轻量级渲染管线，这里我们已URP为例:

(1) 安装URP的相关的Unity Package, 不同的Unity的版本可能URP的代码版本不一样。

(2) 使用URP渲染管线来代替内置的渲染管线。先创建一个渲染管线的Asset文件，配置好相关数据，创建成功后，在Grpahics下面的Scriptable Render Pipeline选择这个Asset文件，切换渲染管线成功。系统会根据Asset文件的描述来创建出渲染管线出来。如图:

(3) 创建角色，场景，创建材质的时候，使用渲染URP渲染管线相关的Shader;

4: 轻量级渲染管线Shader 模板结构

Unity可编程渲染管线(包括轻量级渲染管线)的Shader开发仍然使用的是ShaderLab的语法结构，开发语言和普通的Shader开发不一样,使用的是HLSL编程语言。同时有些渲染管线还支持Shader Graphic开发。作为程序员,我个人还是建议自己手写代码，比起生成的Shader的代码,手写代码能减少冗余，更高效。我们打开URP渲染管线里面 PBR Shader如下图:

仍然是基于ShaderLab, 和普通的Shader结构，没有区别。

我们来看几个重要的Pass, 体会一下和向前渲染管线的不同。先来看主要的绘制Pass,处理光照计算的，正如红线标注的一样，所有的光源在一个Pass里面计算完成。

看下阴影投射的Pass:

看下HLSL代码，和Cg差不多，所以学习的时候不用由心里负担, 打开LitForwardPass.hlsl,这个文件就是URP里面PBR Shader具体实现的代码。截图如下，数据结构这些和Cg没有太大的差别，如图:

由于篇幅有限，没有办法把Shader详细代码的讲解一遍，为此我还提供了本文对应的代码与视频讲解(里面详细讲解了Shader结构)，需要的可以进入unity学习交流小组来学习教程,并获取课程源码。 URP渲染管线效果截图如下：