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BlueRoseNote/07-Other/Unity/Unity通用渲染管线（URP）系列（二）——Draw Calls（Shaders&Batches）.md
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2023-06-29 11:55:02 +08:00

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建立自己的管线Shader以及ShaderLibrary

Shader宏分支控制

multi_complie

常用的两种做法:

  1. 使用multi_complie或shader_feature来定义宏，根据不同的宏指令编译出多套Shader，Unity内建shader大体也是这么做的。
  2. 有外部传入参数，在shader内部if判断，选择执行哪部分运算。 因为在shader种使用if、for很影响效率，所以第二种方法使用较少，用于case较少的时候。

这两个宏一般与Shader.EnableKeyword("宏名");与Shader.DisableKeyword("宏名");一起使用。

它会无脑的进行组合编译，如果宏指令太多，会产生非常多的variant。 #pragma multi_compile Red Green Blue 会产生三个variant，因为你定义了三个宏

#pragma multi_compile Red Green Blue
#pragma multi_compile Pink Yellow

会产生6个variant（RedPink，RedYellow，GreenPink，GreenYellow，BluePink，BlueYellow)，因为他们之间会两两组合。

shader_feature

该指令的效果和用法基本都与multi_complie一样,都是用来添加宏。同时它就是为了multi_compile打包时的爆炸编译的问题。

但如果是需要同时存在两种宏分支的功能就不适合用shader_feature了。

URP ShaderLibrary

render-pipelines.core

Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/SpaceTransforms.hlsl中定义了若干空间转换函数，但因为没有定义宏，所以还需要在用之前定义缺少宏，相关矩阵变量使用UnityInput.hlsl进行定义。下面的宏声明可能会有bug，最好手动复制错误信息中的变量。（估计是字符集的问题） Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Common.hlsl包含了若干基础类型定义，目前只用于定义real类型。 Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/UnityInstancing.hlsl为了实现GPUInstancing所需的库。 Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/CommonMaterial.hlsl实现了迪士尼BRDF模型函数。比如：PerceptualSmoothnessToPerceptualRoughness、PerceptualRoughnessToRoughness

#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Common.hlsl"
#include "UnityInput.hlsl"

#define UNITY_MATRIX_M untiy_ObjectToWorld
#define UNITY_MATRIX_I_M untiy_WorldToObject
#define UNITY_MATRIX_V untiy_MatrixV
#define UNITY_MATRIX_VP unity_MatrixVP
#define UNITY_MATRIX_P glstate_matrix_projection

#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/SpaceTransforms.hlsl"

render-pipelines.universal 7.3.1

Unity-Chan使用URP7.3.1：

Core.hlsl

Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl

  • 定义了顶点输入、顶点法线输入输入以及初始化函数。
  • 定义UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE宏。
  • 返回UnityInput.hlsl中定义的_WorldSpaceCameraPos,以及_ScaledScreenParams。
  • 一些常用函数

Lighting

Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl 实现了灯光相关逻辑（包括阴影）

  • 灯光衰减函数
  • 灯光数据结构体以及结构体数据填充与计算函数
  • BRDF Functions
  • Global Illumination，主要是球谐结果
  • 光照计算：LightingLambert、LightingSpecular、LightingPhysicallyBased、VertexLighting
  • Fragment Functions：UniversalFragmentPBR、UniversalFragmentBlinnPhong、LightweightFragmentPBR

LitInput

Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitInput.hlsl

  • 定义了PBR所需的CBUFFER
  • SampleMetallicSpecGloss()、SampleOcclusion()、InitializeStandardLitSurfaceData()

LitForwardPass

Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitForwardPass.hlsl URP前向管线具体实现文件。像素着色器最终调用UniversalFragmentPBR()来计算最后颜色。

减少Draw Call的方法

  • SRP批处理器:批处理是组合Drawcall的过程，可减少CPU和GPU之间的通信时间。最简单的方法是启用SRP batcher。SRP batcher不会减少Draw Call的数量，而是使其更精简。它在GPU上缓存了材质属性，因此不必在每次绘制调用时都将其发送出去。
  • GPU Instancing:使用GPU Instancing可使用少量绘制调用一次绘制（或渲染）同一网格的多个副本。

SRP批处理器

遇到错误SRP Batcher Material property is found in another cbuffer这个是因为const buffer的名称不正确造成的。

官方文档有如下一句话：

For a Shader to be compatible with SRP: All built-in engine properties must be declared in a single CBUFFER named “UnityPerDraw”. For example, unity_ObjectToWorld, or unity_SHAr. All Material properties must be declared in a single CBUFFER named “UnityPerMaterial”.

翻译成白话来说，Shader中所有的内置属性例如unity_ObjectToWorld，unity_SHAr等，都要在一个名为UnityPerDraw的CBUFFER中声明，而所有的Material属性都要在一个名为UnityPerMaterial的CBUFFER中声明。

cbuffer UntiyPreMaterial
{
float4 _BaseColor;
}

CBUFFER_START(UntiyPreMaterial)
    float4 _BaseColor;
CBUFFER_END

之后在管线的构造函数中添加设置：

public CustomRenderPipeline()
{
    GraphicsSettings.useScriptableRenderPipelineBatching = true;
}

GPU Instancing

大致步骤：

  1. 在Shader文件中添加#pragma multi_compile_instancing,这将使Unity生成我们的着色器的两个变体，一个具有GPU实例化支持，一个不具有GPU实例化支持。材质检查器中还出现了一个切换选项，使我们可以选择每种材质要使用的版本。
  2. 支持GPU实例化需要更改方法，还需要包含UnityInstancing.hlsl,作用是重新定义这些宏来访问实例数据数组。但是要进行这项工作，需要知道当前正在渲染的对象的索引。索引是通过顶点数据提供的，因此需要使其可用。UnityInstancing.hlsl定义了宏来简化此过程，但是它假定顶点函数具有struct参数。
  3. 声明一个用于传递定点数据的结构体；使用GPU实例化时，对象索引也可用作顶点属性。我们可以在适当的时候通过简单地将UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID放在属性中来添加它。
  4. 在VertexShader中添加添加UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input)来提取实例的顶点索引数据，这足以使GPU实例化进行工作了。
  5. 因为SRP批处理程序拥有优先权，所以还需要使用UNITY_INSTANCING_BUFFER_START替换CBUFFER_START以及用UNITY_INSTANCING_BUFFER_END替换CBUFFER_END,再将内部属性使用UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP进行包裹。
  6. 为了将顶点索引实例传递至PixelShader,还需要再创建一个结构体并添加UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID。
  7. 最后在PixelShader中添加UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input)来访问实例。使用UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP来访问材质中的属性数据。
UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(UnityPerMaterial)
    UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4,_BaseColor)
UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(UnityPerMaterial)

struct Attributes
{
    float3 positionOS : POSITION;
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

struct Varyings
{
    float4 positionCS: SV_POSITION;
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

Varyings UnlitPassVertex(Attributes input)
{
    Varyings output;
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
    UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(input,output);
    float3 positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS);
    output.positionCS=TransformWorldToHClip(positionWS);
    return output;
}

float4 UnlitPassFragment(Varyings input) : SV_TARGET
{
    UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(input);
    return UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(UnityPerMaterial,_BaseColor);
}

动态合批

减少DC的第三种方法称为动态批处理。这是一种古老的技术，它将共享相同材质的多个小网格合并为一个较大的网格，而该网格被绘制。但如果使用逐对象材质属性（per-object material properties）时，会失效。 较大的网格一般按需生成，所以动态合批仅适用于较小的网格。球体还是太大了，但立方体可以使用。

一般来说，GPU实例化优于动态批处理。该方法也有一些注意事项，例如，当涉及不同的比例时，不能保证较大网格的法线向量为单位长度。此外，绘制顺序也将更改，因为它现在是单个网格而不是多个。 还有静态批处理，它的工作原理类似，但是会提前标记为静态批处理的对象。除了需要更多的内存和存储空间之外，它没有任何注意事项。RP不关心这个，因此使用起来不用过多担心。

大致步骤：

  1. 在CameraRenderer.DrawVisibleGeometry中将enableDynamicBatching与enableInstancing设置为true。
  2. 在CustomRenderPipeline将GraphicsSettings.useScriptableRenderPipelineBatching = useSPRBatcher。

给RP添加变量控制

大致步骤：

  • CameraRenderer中给DrawVisibleGeometry与Render添加useDynamicBatching与useGPUInstancing形参，这两变量将用来设置DrawVisibleGeometry中的enableuseDynamicBatching与enableInstancing。
  • CustomRenderPipeline中添加useDynamicBatching与useGPUInstancing变量，并且给构造函数添加useSRPBatcher、useDynamicBatching与useGPUInstancing形参，用于修改上述变量以及设置是否启用SRPBatcher,并且给Render中渲染函数添加上述形参。
  • CustomRenderPipelineAsset添加useSRPBatcher、useDynamicBatching与useGPUInstancing变量，并修改对应函数的形参。

在Shader中添加渲染设置

在Properties中

[Enum(UnityEngine.Rendering.BlendedMode)]
_SrcBlend("Src Blend",Float)=1

[Enum(UnityEngine.Rendering.BlendedMode)]
_DstBlend("Src Blend",Float)=0

[Enum(Off,0,On,1)] _ZWrite ("Z Write",Float)=1

在Pass中添加

Blend [_SrcBlend] [_DstBlend]
ZWrite [_ZWrite]

添加纹理

  1. 在Properties中添加 _BaseMap("Texture",2D)="white" {}
  2. 因为要支持GPUInstancing的关系代码比较复杂，后续步骤见git。