unity URP前向渲染流程以及获取屏幕空间UV和深度

Posted 2022-07-20 暮志未晚Webgl

前向渲染流程

cpu上进行剔除和排序，剔除为，相机的视椎体剔除，将相机视角外的模型剔除掉，不再渲染。遮挡剔除，将视椎体内不可见的模型剔除掉，不再渲染。排序为了保证性能，不透明为从近到远，减少不必要的渲染，半透明物体为了保证正确性，从远到近。

cpu上获取到所需的相关模型数据：顶点数据 贴图数据 还有材质属性，将数据提交给gpu，并调用gpu进行渲染，每调用渲染一次，为一次drawcall。

在gpu上，分为两部分，一部分是顶点着色器，另一部分是片元着色器。
在顶点着色器里，主要是位置变换，将顶点的位置，依次是 模型空间 世界空间 视线空间 裁剪空间 这个过程是 MVP矩阵变换。

在顶点着色器到片元着色器中间还有一个过程，这个过程中，将进行裁剪剔除，将不在屏幕中的片元裁剪到只在裁剪显示空间内的，显示范围为[-w, w]，在这里得到的四维变量 xy是裁剪空间下的xy坐标，z是深度，w就是w，注意这里，因为获取屏幕uv也需要在这一步操作，而且不同平台的兼容的问题也需要从这一步开始出现，因为深度也就是z从这一步根据平台也不同。然后进行NDC（归一化设备坐标系），归一化操作，在unity里面，xy限制在0到w之间，而深度z，根据平台不同，则为-w到w或者0-w。NDC操作完成之后，将进行背面剔除，将一些无法看到图元（主要是三角形面，点和线不需要）给剔除掉。图元三角形的三个点如果是顺时针渲染的为背面，将被剔除，逆时针渲染的面为正面，将被渲染。

背面剔除完成以后，将要转换到屏幕空间（或者缓冲区空间），这里将根据渲染的宽高进行转换，转换完成后，将进行图元装配，然后进行光栅化，光栅化可以理解为获取到图元占用屏幕的像素（一般叫片元），占用多少像素，将调用多少次的片元着色器进行运算颜色。这个步骤是图元的所有的片元结果同步计算的。

片元着色器运算完成，就到了最后输出合并阶段。你计算完成后，也不一定能够给像素填充颜色，我们还需要进行多个测试，通过这些测试以后，才可以将颜色写入帧缓冲区。这些步骤分别是：

1. 半透明测试 根据透明度，将多少透明度以下的颜色直接放弃写入。unity里面函数是clip，内部如果传入的值小于0，则不会写入颜色。
2. 模板测试 根据之前设置的模板，对比，如果通过将继续下一步。
3. 深度测试 对比帧缓冲区的深度，通过继续下一步。
4. 混合测试 这一步主要针对于半透明物体的，当前的颜色和帧缓冲区的像素颜色按比例进行混合，得到最终颜色。
   最后，完成后，可以顺利的将颜色写入到缓冲区。注意，缓冲区不单单只存储了像素的颜色，还有深度信息，以及模板信息。

获取屏幕空间UV

前面渲染流程说了这么多，那么大家应该能清楚如何去获取屏幕uv了吧。肯定是NDC空间的xy坐标就是了，那么怎么获取，在urp里面，有两种方式，先说一下最简单的：

如下，直接使用urp内置的GetVertexPositionInputs函数，传入模型空间下的顶点坐标，即可获取到包含世界空间，视线空间，裁剪空间，NDC空间下的所有信息。我们可以看一下结构体：

第二种方式呢，就是我们通过裁剪空间下的坐标自己去计算，unity也内置了相关方法，

可以看到，其实就是修改了xy的坐标，zw根本没动。将xy从-w到w，变换到了0到w的区间。

_ProjectionParams的x项是为了兼容平台，dx的y坐标0是上面，而opengl平台的0到1是从下向上。
我还找到了屏幕的宽高常量：

还有时间相关的

再列一下其它的吧

这些都在UnityInput.hlsl文件中，大家可以自己去看看。

回归正题，既然我们得到NDC空间的xy，它们现在的区间范围是[0, w]，那么就好办了，只要我们除以w，那么就得到了屏幕空间下的UV坐标了。

获取深度

上面，我们获取到屏幕的UV，是通过NDC空间下的坐标xy获取的，其实z的值就是深度，我们获取深度，首先限制到0-1或者根据平台不同，在-1到1之间，其实就是处于w就好了。

这样，可以获得，距离相机越近的物体，颜色越量，越远的，就越暗。

为什么要这么写呢，因为unity里面已经内置好了各个平台的近裁剪面和远裁剪面的值，我们只需要判断一下即可



上面列举了几个，平台的远裁剪面和近裁剪面归一化后的值，我们就可以以此来计算出统一的深度渲染效果，剩下的你可以自己在unity库里面搜索一下，名字在下面列出来了。

获取深度贴图内的深度

情绪都到这了，那么再写一下如何实现获取深度贴图内的深度吧。
首先，你要在urp Pipeline Asset里面，开启深度纹理渲染。

开启了以后，你可以在shader里面声明纹理_CameraDepthTexture，就可以获取到深度贴图了。
然后拿着上面获取到的屏幕uv，你就能够获取到深度贴图上的深度了。

就这么简单，你就获取到了深度，渲染出来，就是这样的

最后，还有一个问题，现在深度贴图里面的深度和你获取到的深度，它不是线性的，我们需要转成线性的，unity也有内置方法

根据自己需求用，一个是从近裁剪面开始算的，一个是从相机位置开始算的。1就是远裁剪面。
第一个值就传入你计算出来的深度，或者从深度贴图里面获取到的深度。
第二个值 _ZBufferParams，我上面也截图了，你可以从上面找。

结束。