图形学之路2：自定义渲染管线

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前言

目标

在本页进行的实验中，目的是：

控制物体是否被渲染
- 尽管可以通过setActive()修改物体状态，使得物体不被显示；但我们的目的是从渲染角度，减少draw call开销。
- 更具体一些，我们希望定制渲染流程，以控制物体的剔除/过滤/排序渲染顺序等，并分离透明/不透明物体或通道。
提供其他视野
- 我们希望获得其他角度的视角观察物体。

因此，选择自定义渲染管线，以达到目的。
在一些教程中，这被称为SRP（Scripted Render Pipeline），或URP。

必要知识

什么是渲染管线？

渲染管线是把3D场景内的物体投影到2D屏幕上的过程。

什么是材质？

着色器的实例。给一个确定的几何体指定颜色。

什么是着色器？

为GPU指定场景内几何体（顶点）和像素颜色的代码。

参考资料

实验一
https://catlikecoding.com/unity/tutorials/custom-srp/custom-render-pipeline/
https://zhuanlan.zhihu.com/p/133144555
实验二
https://blog.csdn.net/qq_38913715/article/details/122308196

实验一：渲染指定材质的物体

准备工作：创建场景

在Unity中创建一个简单场景，放置数个具有不同材质的物体。

创建自定义渲染管线

1.新建一个脚本，我把它取名为myRenderPipeline , 令其继承RenderPipeline类。
这个类将用于控制场景内的camera，设置其渲染管线参数。


	public class myRenderPipeline : RenderPipeline
	{
		//...
	}

```    


2.创建一个myRenderPipeline对象：定义`myRenderPipelineAsset`类，使得可以通过unity编辑器菜单栏创建渲染管线对象。

[CreateAssetMenu(menuName = "Rendering/my Render Pipeline")]
public class myRenderPipelineAsset : RenderPipelineAsset 
{
    protected override RenderPipeline CreatePipeline() 
    {
        return new myRenderPipeline();
    }
}

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3.新建一个myCameraRender类。这个类用于实现camera的具体渲染控制方法。

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;

public class myCameraRenderer 
{

    ScriptableRenderContext context;

    Camera camera;

    public void Render(ScriptableRenderContext context, Camera camera) 
    {
        this.context = context;
        this.camera = camera;
    }
}




4.这时pipelinerender类的继承方法render尚未实现。根据这几个类型的关系，我们设置`myPipelineRender`类的render方法为:

myCameraRenderer mCR = new myCameraRenderer();

protected override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras) 
{
    foreach (Camera camera in cameras) 
    {
        mCR.Render(context, camera);
    }
}

5.在project settings->player中，将SRP设置为新建的渲染管线对象。

#### 小结：关于参数，及其意义
+ RenderPipeline.Render()
	+ protect方法，具有override标记以保证重写。控制自定义渲染方法。
+ ScriptableRenderContext
	+ https://docs.unity3d.com/cn/2019.4/ScriptReference/Rendering.ScriptableRenderContext.html
	+ 简单地说，这个类定义（或者说，承载）自定义渲染管线使用的状态和绘制命令，并能控制GPU开始/结束渲染。




### 设置渲染流程
在上一步完成设置后，场景内的物体应该都不可见。这是由于：
1. 我们的渲染管线缺少待渲染物体列表；
2. 未发送渲染指令到GPU。

现在就是上一小节刚提到的SRC的用途了。   
注意SRC控制GPU渲染的方式与openGL的操作非常接近，都需要缓冲区处理，以及绘制语句，才能实现渲染。   
**接下来在myCameraRender类中添加语句**。


1.定义`drawVisibleGeometry()`方法，这个方法用作控制绘制可见几何体的接口。

void DrawVisibleGeometry () 
{
    // 绘制天空盒
    context.DrawSkybox(camera);
}

1 2	2.定义`Submit()`方法，用作向GPU提交指令的接口。

void Submit () 
{
    context.Submit();
}

1 2	3.在`Render()`中设置语句，以实现基础的渲染流程。

public void Render(ScriptableRenderContext context, Camera camera)
{
    this.context = context;
    this.camera = camera;

    DrawVisibleGeometry();
    Submit();
}

这时天空盒已经可以看到了，但角度似乎不太正常。这是由于未从世界坐标系转换到相机视角坐标系所致。
![set](/Road-To-Graphics-2/unaligned_SKYBOX.PNG)

4. 定义一个`SetUp()`函数以进行渲染前的设置，并修改`render()`方法。

public void Render(ScriptableRenderContext context, Camera camera)
{
    this.context = context;
    this.camera = camera;

    Setup();
    DrawVisibleGeometry();
    Submit();
}

void Setup()
{
    context.SetupCameraProperties(camera);

    // 下一步用到
    buffer.ClearRenderTarget(true, true, Color.clear);
    buffer.BeginSample(bufferName);
    ExecuteBuffer();
}



5.命令缓冲区
> 除了像DrawSkybox这样的接口我们可以通过设备上下文直接调用外，其他命令我们都需要通过单独的命令缓冲区间接发出。为了获得一个缓冲区，我们需要一个CommandBuffer对象。我们暂时只需要一个缓冲区，所以我们将它缓存起来。

在`myCameraRenderPipeline`类内定义一个缓冲区

const string bufferName = "Render Camera";
CommandBuffer buffer = new CommandBuffer 
{
    name = bufferName
};

1 2	并修改submit()

void Submit () 
{
    // 从缓冲区读取，需要与BeginSample()配对
    buffer.EndSample(bufferName);

    // 清理深度缓冲区 （另见：渲染管线知识 一文）
    buffer.ClearRenderTarget(true, true, Color.clear);
    
    // 执行缓冲区命令，这个函数是自己定义的
    ExecuteBuffer();

    // 提交
    context.Submit();
}


void ExecuteBuffer () 
{
    // 执行命令，这个方法是unity提供的
    context.ExecuteCommandBuffer(buffer);

    // 清楚命令缓冲区
    buffer.Clear();
}


6. 相机剔除   
这一步用于删除不在视野内的物体。

CullingResults cullingResults;

bool Cull () 
{
    if (camera.TryGetCullingParameters(out ScriptableCullingParameters p)) 
    {
        cullingResults = context.Cull(ref p);
        return true;
    }
    return false;
}

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同时，render()函数也需要调整

public void Render (ScriptableRenderContext context, Camera camera) 
{
    this.context = context;
    this.camera = camera;
    if (!Cull()) 
    {
        return;
    }
    Setup();
    DrawVisibleGeometry();
    Submit();
}



### 绘制可见物体
这一步修改`drawVisibleGeometry()`

   static ShaderTagId unlitShaderTagId = new ShaderTagId("SRPDefaultUnlit");

   void DrawVisibleGeometry()
{

    // 设置渲染对象排序方法
    var sortingSettings = new SortingSettings(camera)
    {
        criteria = SortingCriteria.CommonOpaque
    };

    var drawingSettings = new DrawingSettings(
        unlitShaderTagId, sortingSettings
    );

    // 选取不透明物体渲染
    var filteringSettings = new FilteringSettings(RenderQueueRange.opaque);
    context.DrawRenderers(
        cullingResults, ref drawingSettings, ref filteringSettings
    );


    // 选取透明物体渲染
    filteringSettings = new FilteringSettings(RenderQueueRange.transparent);
    context.DrawRenderers(
        cullingResults, ref drawingSettings, ref filteringSettings
    );

    // 最后绘制天空盒
    context.DrawSkybox(camera);
}


![set](/Road-To-Graphics-2/final1-nodeal.PNG)

#### 小结：参数设置及其意义
+ SortingSettings
	+ https://docs.unity3d.com/cn/2019.4/ScriptReference/Rendering.SortingSettings.html
	+ 渲染对象排序 
+ DrawingSettings
	+ https://docs.unity3d.com/cn/2019.4/ScriptReference/Rendering.DrawingSettings.html
	+ 为排序后的对象设置材质
+ FilteringSettings
	+ https://docs.unity3d.com/cn/2019.4/ScriptReference/Rendering.FilteringSettings.html
	+ 过滤器，保留渲染其材质渲染器在此范围内排队的对象。
+ DrawRenderers
	+ https://docs.unity3d.com/cn/2019.4/ScriptReference/Rendering.ScriptableRenderContext.DrawRenderers.html
	+ 注册绘制参数到执行命令表中



### 处理指定材质外的物体
现在，所有Unlit类型材质的物体都应被显示了，其余材质的物体尚未渲染。

我们定义

static Material errorMaterial;

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


void DrawUnsupportedShaders()
{
    if (errorMaterial == null)
    {
        errorMaterial =
            new Material(Shader.Find("Hidden/InternalErrorShader"));
    }
    var drawingSettings = new DrawingSettings(
        legacyShaderTagIds[0], new SortingSettings(camera)
    )
    {
        overrideMaterial = errorMaterial
    };

    //var drawingSettings = new DrawingSettings(
    //    legacyShaderTagIds[0], new SortingSettings(camera)
    //);
    for (int i = 1; i < legacyShaderTagIds.Length; i++)
    {
        drawingSettings.SetShaderPassName(i, legacyShaderTagIds[i]);
    }
    var filteringSettings = FilteringSettings.defaultValue;
    context.DrawRenderers(
        cullingResults, ref drawingSettings, ref filteringSettings
    );
}


处理其他类型的材质。  
`ShaderTagId[] legacyShaderTagIds`定义了可被此方法处理的材质列表。


至此，所有物体都应该显示了。

![set](/Road-To-Graphics-2/final1-noErrMaterial.PNG)
> 如果不设置errorMaterial，非支持材质物体将为黑色，这是由于未正确设置光照导致的。

![set](/Road-To-Graphics-2/final1.PNG)
> 设置errorMaterial后的效果


## 实验二：多相机视角 
到上一步为止，我们添加了自定义渲染管线`myRenderPipeline`，并对所有相机生效。这一节我们将设置多个相机视角。

1. 复制main camera对象，**修改其tag为`untagged`**
（这是为了在hololens 等ar设备中使用，否则多个主摄像机会导致AR设备混乱）。

2. 在project中新建`Render Texture`对象，并将新的相机对象的`render texture`选项设置为新建的RT。

![set](/Road-To-Graphics-2/set22.PNG)

3. 新建一个`Unlit/Texture`材质，设置纹理为刚才新建的RT；

![set](/Road-To-Graphics-2/set21.PNG)

4. 场景中新建一个`Image`物体，设置其`material`参数为刚才设置好的材质；

![set](/Road-To-Graphics-2/set23.PNG)

5. 调整相机和画布位置。现在可以看到多个摄像机画面了。

![set](/Road-To-Graphics-2/final2.PNG)

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