【Unity3D】Renderer Feature简介

1 3D 项目迁移到 URP 项目后出现的问题

​ 3D 项目迁移至 URP 项目后，会出现很多渲染问题，如：材质显示异常、GL 渲染不显示、多 Pass 渲染异常、屏幕后处理异常等问题。下面将针对这些问题给出一些简单的解决方案。

​ URP 官方教程和 API 详见→Universal RP 文档、Universal RP API，URP 项目环境搭建详见→Shader Graph简介。

​ 本文完整资源见→Renderer Feature实验。

​ 1）内置材质渲染异常

​ 在 Assets 窗口选中异常的内置材质，依次单击【Edit→Rendering→Materials→Convert Selected Built-in Materials to URP】，异常材质就会自动转换为 URP 内置材质，转换后的材质对应的 shader 为 "Universal Render Pipeline/Lit"。

​ 2）GL 不渲染

​ 3D 项目中，在 MonoBehaviour的生命周期 的 OnPostRender 方法中执行 GL 命令（详见→使用GL绘制线段）。但是，URP 项目中 OnPostRender 方法不会回调，我们可以将 GL 命令移至 OnRenderObject 方法中，以实现 GL 渲染。

​ 3）多 Pass 渲染异常

​ URP 项目中，我们可以修改 Tag 里的 LightMode 属性以实现多 Pass 渲染，如下。但是，该方案最多只允许渲染 3 个 Pass 通道。

Tags{ "LightMode" = "SRPDefaultUnlit" }
Tags{ "LightMode" = "UniversalForward" }
Tags{ "LightMode" = "LightweightForward" }

​ 4）屏幕后处理异常

​ 3D 项目中，我们在 MonoBehaviour的生命周期 的 OnRenderImage 方法中实现屏幕后处理（详见→调整屏幕亮度、饱和度、对比度）。但是，在 URP 项目中，OnRenderImage 方法不会回调。所幸，Unity 为我们提供了 Rnederer Feature（详见第 3 节），为屏幕后处理提供了一个解决方案。另外，通过 Global Volume 也可以实现屏幕后处理特效。

2 Renderer Objects

2.1 Render Objects 简介

​ RenderObjects 是 ScriptableRendererFeature 的一种实现，它通过 RenderObjectsPass 渲染指定图层的对象。在 Assets 窗口选中 Universal Renderer Data 文件，在 Inspector 窗口依次点击【Add Renderer Feature→Render Objects】，如下。

​ 添加 Render Objects 后，显示如下。

• Name：Render Objects 标识，建议修改，Frame Debugger 窗口中可以看到该标识符；
• Event：渲染的时序点，该渲染事件在什么时序上执行，详见 RenderPassEvent；
• Queue：渲染队列；
• Layer Mask：渲染指定图层的游戏对象；
• LightMode Tags：渲染路径，取值有：SRPDefaultUnlit、UniversalForward、LightweightForward；
• Material：待渲染的材质，拖入材质后，需要设置 Pass Index（Pass 通道索引）；
• Depth：深度测试配置，开启后可以配置 Write Depth （写入深度缓存）和 Depth Test（深度测试，取值有 Less、Equal 等）；
• Stencil：模板测试配置，开启后可以配置 Value（模板参考值）、Compare Function（比较函数，取值有 Less、Equal 等）、Pass（模板测试和深度测试均通过时的策略，取值有 Keep、Replace 等）、Fail（模板测试未通过时的策略，取值有 Keep、Replace 等）、ZFail（模板测试通过，但深度测试未通过时的策略，取值有 Keep、Replace 等），
• Camera：相机配置，开启后可以配置 Field of View（视角）、Position Offset（偏移）。

public enum RenderPassEvent {
	BeforeRendering = 0, // 渲染前
	BeforeRenderingShadows = 50, // 渲染阴影前
	AfterRenderingShadows = 100, // 渲染阴影后
	BeforeRenderingPrePasses = 150, // 渲染PrePasses前
	[EditorBrowsable(EditorBrowsableState.Never)]
	[Obsolete("Obsolete, to match the capital from 'Prepass' to 'PrePass' (UnityUpgradable) -> BeforeRenderingPrePasses")]
	BeforeRenderingPrepasses = 151, // 渲染PrePasses前
	AfterRenderingPrePasses = 200, // 渲染PrePasses后
	BeforeRenderingGbuffer = 210, // 渲染Gbuffer前
	AfterRenderingGbuffer = 220, // 渲染Gbuffer后
	BeforeRenderingDeferredLights = 230, // 渲染延时光照前
	AfterRenderingDeferredLights = 240, // 渲染延时光照后
	BeforeRenderingOpaques = 250, // 渲染不透明物体前
	AfterRenderingOpaques = 300, // 渲染不透明物体后
	BeforeRenderingSkybox = 350, // 渲染天空盒子前
	AfterRenderingSkybox = 400, // 渲染天空盒子后
	BeforeRenderingTransparents = 450, // 渲染透明物体前
	AfterRenderingTransparents = 500, // 渲染透明物体后
	BeforeRenderingPostProcessing = 550, // 屏幕后处理前
	AfterRenderingPostProcessing = 600, // 屏幕后处理后
	AfterRendering = 1000 // 渲染前
}

2.2 Render Objects 应用

​ 本节将通过一个简单的描边特效介绍 Render Objects 的应用，更复杂的描边详见→选中物体描边特效、基于模板测试和顶点膨胀的描边方法、边缘检测特效、基于深度和法线纹理的边缘检测方法。

​ 1）创建 Shader

​ Outline.shader

Shader "MyShader/Outline" {
    Properties {
        _OutlineColor("_OutlineColor", Color) = (1, 0, 0, 1) // 描边颜色
        _OutlineWidth("Outline Width", Range(0.01, 1)) = 0.1 // 描边宽度
    }

    SubShader {
        Pass {
            Cull Front // 关闭剔除渲染, 取值有: Off、Front、Back, Off表示正面和背面都渲染

            CGPROGRAM
            #include "UnityCG.cginc"
 
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            fixed4 _OutlineColor; // 描边颜色
            float _OutlineWidth; // 描边宽度
   
            struct a2v {
                float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
                float3 normal : NORMAL; // 模型空间法线向量
            };
 
            struct v2f {
                float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
            };
 
            v2f vert(a2v v) {
                v2f o;
                float3 viewNormal = normalize(mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal)); // 观察空间法线向量
                float3 viewPos = UnityObjectToViewPos(v.vertex); // 观察空间顶点坐标
                o.pos = UnityViewToClipPos(viewPos + viewNormal * _OutlineWidth * (-viewPos.z) * 0.1); // 裁剪空间顶点坐标
                return o;
            }
 
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
                return _OutlineColor;
            }

            ENDCG
        }
    }
}

​ 说明：创建材质，并重命名为 OutlineMat，将 Outline.shader 拖拽到 OutlineMat 中。

​ 2）创建 Render Objects

​ 在 Assets 窗口选中 Universal Renderer Data 文件，在 Inspector 窗口点击 Add Renderer Feature 添加 Render Objects，配置 Render Objects 如下。

​ 3）运行效果

​ 给需要描边的物体设置图层为 Outline，效果如下。

3 自定义 Renderer Feature

​ 要使用 Renderer Feature，我们需要编写两个类：继承自 ScriptableRendererFeature 的 Feature 类和继承自 ScriptableRenderPass 的 Pass 类。

3.1 Renderer Feature 简介

​ 1）创建 Renderer Feature

​ 在 Assets 窗口右键，弹出菜单栏，依次选择【Create→Rendering→URP Renderer Feature】，生成 CustomRenderPassFeature.cs 文件。

​ 2）CustomRenderPassFeature

​ 打开 CustomRenderPassFeature.cs 文件如下，其中 Debug 日志是笔者添加的，为方便后文查看 Feature 生命周期。

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;

public class CustomRenderPassFeature : ScriptableRendererFeature { // 自定义的Feature
    class CustomRenderPass : ScriptableRenderPass { // 自定义的Pass
        public override void OnCameraSetup(CommandBuffer cmd, ref RenderingData renderingData) { // 渲染Pass前回调, 此处可以申请内存
            Debug.Log("CustomRenderPass-OnCameraSetup");
        }

        public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData) { // 渲染执行逻辑
            Debug.Log("CustomRenderPass-Execute");
        }

        public override void OnCameraCleanup(CommandBuffer cmd) { // 渲染Pass后回调, 此处可以清除内存操作
            Debug.Log("CustomRenderPass-OnCameraCleanup");
        }
    }

    CustomRenderPass m_ScriptablePass; // 自定义的Pass

    public override void Create() { // 创建自定义的Pass
        Debug.Log("CustomRenderPassFeature-Create");
        m_ScriptablePass = new CustomRenderPass();
        m_ScriptablePass.renderPassEvent = RenderPassEvent.AfterRenderingOpaques; // 渲染事件注入的时机
    }

    public override void AddRenderPasses(ScriptableRenderer renderer, ref RenderingData renderingData) { // 将Pass添加到渲染队列中
        Debug.Log("CustomRenderPassFeature-AddRenderPasses");
        renderer.EnqueuePass(m_ScriptablePass);
    }
}

​ 3）添加自定义 Renderer Feature

​ 在 Assets 窗口选中 Universal Renderer Data 文件，在 Inspector 窗口依次点击【Add Renderer Feature→Custom Render Pass Feature】，如下。

​ 添加 Custom Render Pass Feature 后，显示如下，Name 建议修改，在 Frame Debugger 中可以看到该 Name，方便调试。

​ 4）Renderer Feature 生命周期

​ 运行程序后，打印日志如下。

​ 由日志可以得出以下结论：

• Render Feature 的执行时序是：Create→AddRenderPasses→OnCameraSetup→Execute→OnCameraCleanup；
• Create 方法只在程序启动时执行几次，后面就不执行了；
• AddRenderPasses、OnCameraSetup、Execute、OnCameraCleanup 方法每帧都会执行一次。

3.2 Renderer Feature 应用

​ 本节通过一个 调整屏幕亮度、饱和度、对比度 的案例，介绍 Render Feature 在屏幕后处理中的应用。

​ 1）创建自定义 Feature

​ FullscreenFeature.cs

using UnityEngine.Rendering.Universal;
using UnityEngine;

public class FullscreenFeature : ScriptableRendererFeature {
    public Settings settings = new Settings(); // 设置
    FullscreenPass blitPass; // 后处理的Pass

    public override void Create() { // 创建后处理Pass(自动回调)
        blitPass = new FullscreenPass(name);
    }

    public override void AddRenderPasses(ScriptableRenderer renderer, ref RenderingData renderingData) { // 添加渲染Pass(自动回调)
        if (settings.blitMaterial == null) {
            return;
        }
        blitPass.renderPassEvent = settings.renderPassEvent;
        blitPass.settings = settings;
        renderer.EnqueuePass(blitPass);
    }

    [System.Serializable]
    public class Settings { // 配置项
        public RenderPassEvent renderPassEvent = RenderPassEvent.AfterRenderingOpaques;
        public Material blitMaterial = null;
    }
}

​ 说明：FullscreenFeature 不是单例, 可以在 Universal Renderer Data 中配置多实例（可能有多个屏幕后处理特效）。

​ 2）创建自定义 Pass

​ FullscreenPass.cs

using UnityEngine.Rendering.Universal;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine;

internal class FullscreenPass : ScriptableRenderPass {
    public FullscreenFeature.Settings settings; // 配置项
    private string profilerTag; // 分析器标签, 在Frame Debugger中可以看到该标签
    private RenderTargetIdentifier source; // 源缓存标识
    private RenderTargetIdentifier destination; // 目标缓存标识
    private int destinationId; // 目标缓存id
    private FilterMode filterMode; // 纹理采样滤波模式, 取值有: Point、Bilinear、Trilinear

    public FullscreenPass(string tag) {
        profilerTag = tag;
        destinationId = Shader.PropertyToID("_TempRT");
    }

    public override void OnCameraSetup(CommandBuffer cmd, ref RenderingData renderingData) { // 渲染前回调
        RenderTextureDescriptor blitTargetDescriptor = renderingData.cameraData.cameraTargetDescriptor;
        blitTargetDescriptor.depthBufferBits = 0;
        ScriptableRenderer renderer = renderingData.cameraData.renderer;
        source = renderer.cameraColorTarget;
        cmd.GetTemporaryRT(destinationId, blitTargetDescriptor, filterMode);
        destination = new RenderTargetIdentifier(destinationId);
    }

    public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData) { // 执行渲染
        CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get(profilerTag);
        Blit(cmd, source, destination, settings.blitMaterial);
        Blit(cmd, destination, source);
        context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
        CommandBufferPool.Release(cmd);
    }

    public override void FrameCleanup(CommandBuffer cmd) { // 渲染后回调
        if (destinationId != -1) {
            cmd.ReleaseTemporaryRT(destinationId);
        }
    }
}

​ 3）创建 Shader

​ BrigSatuCont.shader

Shader "MyShader/BrightnessSaturationContrast" { // 调整亮度、饱和度、对比度
    Properties{
        _MainTex("Base (RGB)", 2D) = "white" {} // 主纹理
        _Brightness("Brightness", Range(0.5, 3)) = 1 // 亮度
        _Saturation("Saturation", Range(0.1, 5)) = 1 // 饱和度
        _Contrast("Contrast", Range(0.4, 3)) = 1 // 对比度
    }

    SubShader{
        Pass {
            // 深度测试始终通过, 关闭深度写入
            //ZTest Always ZWrite Off

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert_img // 使用内置的vert_img顶点着色器
            #pragma fragment frag 
            #include "UnityCG.cginc"

            sampler2D _MainTex; // 主纹理
            half _Brightness; // 亮度
            half _Saturation; // 饱和度
            half _Contrast; // 对比度

            fixed4 frag(v2f_img i) : SV_Target { // v2f_img为内置结构体, 里面只包含pos和uv
                fixed4 tex = tex2D(_MainTex, i.uv); // 纹理采样
                fixed3 finalColor = tex.rgb * _Brightness; // 应用亮度_Brightness
                fixed luminance = 0.2125 * tex.r + 0.7154 * tex.g + 0.0721 * tex.b; // 计算亮度
                fixed3 luminanceColor = fixed3(luminance, luminance, luminance); // 饱和度为0、亮度为luminance的颜色
                finalColor = lerp(luminanceColor, finalColor, _Saturation); // 应用饱和度_Saturation
                fixed3 avgColor = fixed3(0.5, 0.5, 0.5); // 饱和度为0、亮度为0.5的颜色
                finalColor = lerp(avgColor, finalColor, _Contrast); // 应用对比度_Contrast
                return fixed4(finalColor, tex.a);
            }

            ENDCG
        }
    }

    Fallback Off
}

​ 说明：创建材质，并重命名为 BrigSatuContMat，将 BrigSatuCont.shader 拖拽到 BrigSatuContMat 中。

​ 4）添加 Feature

​ 在 Assets 窗口选中 Universal Renderer Data 文件，在 Inspector 窗口依次点击【Add Renderer Feature→Fullscreen Feature】，如下。

​ 将 BrigSatuContMat 材质拖拽到 Renderer Feature 中，并修改 Name 属性为 BrigSatuCont，如下。

​ 5）运行效果

​ 通过修改 BrigSatuContMat 中 Brightness、Saturation、Contrast 属性，运行效果如下。左侧是原图，右侧是调整亮度、饱和度、对比度后的渲染效果。

​ 6）动态获取 Feature

​ 用户如果想在 MonoBehaviour 中获取 Renderer Feature，可以通过以下代码片段获取。

private FullscreenFeature GetFeature(string name) { // 获取feature
    UniversalRendererData rendererData = Resources.Load<UniversalRendererData>("Full Universal Renderer Data");
    if (rendererData != null && !string.IsNullOrEmpty(name)) {
        List<FullscreenFeature> features = rendererData.rendererFeatures.OfType<FullscreenFeature>().ToList();
        foreach (FullscreenFeature feature in features) {
            if (name.Equals(feature.name)) {
                return feature;
            }
        }
    }
    return null;
}

​ 也可以通过以下工具类获取 Renderer Feature。

​ URPFeatureUtils.cs

using UnityEngine.Rendering.Universal;
using UnityEngine.Rendering;
using System.Reflection;

public class URPFeatureUtils {
    private static URPFeatureUtils instance; // 单例
    private UniversalRendererData rendererData; // 渲染数据, 存储了feature列表

    private URPFeatureUtils() {
        rendererData = GetRendererData();
    }

    public static T GetFeature<T>(string name) where T : ScriptableRendererFeature { // 获取feature
        if (instance == null) {
            instance = new URPFeatureUtils();
        }
        if (instance.rendererData != null) {
            return GetFeature<T>(instance.rendererData, name);
        }
        return null;
    }

    private static T GetFeature<T>(UniversalRendererData rendererData, string name) where T : ScriptableRendererFeature { // 获取feature
        if (rendererData != null && !string.IsNullOrEmpty(name)) {
            foreach (ScriptableRendererFeature feature in rendererData.rendererFeatures) {
                if (feature is T && name.Equals(feature.name)) {
                    return (feature as T);
                }
            }
        }
        return null;
    }

    private UniversalRendererData GetRendererData() { // 通过反射获取渲染数据, 也可以通过Resources.Load加载, 但是需要将UniversalRendererData文件放在Resources目录下
        UniversalRenderPipelineAsset urpAsset = GraphicsSettings.renderPipelineAsset as UniversalRenderPipelineAsset;
        FieldInfo propertyInfo = urpAsset.GetType().GetField("m_RendererDataList", BindingFlags.Instance | BindingFlags.NonPublic);
        ScriptableRendererData[] rendererDatas = (ScriptableRendererData[])propertyInfo.GetValue(urpAsset);
        if (rendererDatas != null && rendererDatas.Length > 0 && (rendererDatas[0] is UniversalRendererData)) {
            return rendererDatas[0] as UniversalRendererData;
        }
        return null;
    }
}

​ 说明：之所以要使用反射，因为 UniversalRenderPipelineAsset 中的 m_RendererDataList 属性不是 public 的，并且没有给外界提供获取 m_RendererDataList 的接口。

​ 声明：本文转自【Unity3D】Renderer Feature简介。

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