Unity场景渲染相关实现的猜想

2022-11-04 21:21:35

　　如下，很简单的一个场景，一个Panel,二个Cube,一个camera,一个方向光，其中为了避免灯光阴影的影响，关掉阴影，而Panel和二个Cube都是默认的材质，没做修改，我原猜，这三个模型应该都动态合并成一个，但是根据Unity的Frame Debug的显示，我们可以看下，只有同模型的地合并了。然后把模型A向前移动到Z小于0，神奇的看到，同模型的二个cube也不能动态合并了。

　　好吧，在这有点小失望，后面查到在网上有个说法，Unity会根据摄像机的深度排序，所以在排序后，如果上个模型和下个模型不一样，就没有合并，虽然在我想法中，应该是只要同材质就应该自动合并在一起，如ogre2.1中的相应的glDrawXXXBaseInstance与glMultiDrawXXXIndirect等函数的引入，但是后面又想到，就算Ogre2.1中，gles渲染模式还是使用的Ogre1.x的渲染模式，只是加上了材质排序，应该是现在gles2与移动平台的限制，希望gles3会有改善，Unity主打移动平台，是这样的话也不奇怪了。

　　接上，一般来说，就算有深度排序,应该是先有通道排序，就是说如Ogre与Unity都有的一个概念，指的是背景，透明，不透明，粒子，UI这种渲染通道。为了验证如上想法，我们创建一个材质，渲染通道设为"Queue" = "Geometry+1",其中二个Cube使用这个新材质，这样我们可以发现，Panel与Cube的距离不会影响二个Cube的合并了。

　　虽然这样，不过用处不大，因为渲染阴影RTT中，同材质是能全部合并的，如果渲染通道顺序改变了，就不能合并了，如果使用PSSM这种阴影技术，设置四个阴影图，相反还增加三次DrawCall了。

　　暂时告一段落后，想到如果能看到Unity3D的源码就好了，当然这个现在来说，好像不可能，不过记的当时看过一个新闻，搜狐有个开源的引擎，叫Genesis3D,和Unity有点像，至于有多像就不知道，拿来大致看下，也要不了多少时间。

Genesis3D的渲染流程

　　下面大致是我对Genesis3D渲染流程的一些整理，先来看一些基本的类。

　　GraphicObject:主要包含在局部坐标系的矩阵与本身的AABB。

　　RenderObject:GraphicObject的子类，这个类有点像Ogre中的Renderable，是渲染的主要类，其中属性如Layer相当于渲染通道的ID，RenderScene相当于场景声明，主要可以参考VIS项目，可以看到Genesis3D是用的四叉树的场景管理，相应的摄像机的Cull主要是基于四叉树的理论，VisEntity主要是RenderObject添加到场景RenderScene后的包装，用于得到在四叉树场景中的那个节点上，其中ReceiveShadow与CastShadow分别是接受阴影与生成阴影，生成阴影表明在生成阴影的RTT时，包含当前模型，接受阴影表明在正常渲染模式下，把当前模型的深度与阴影RTT比较，Projected表明是否采用透视矩阵，其中三个方法比较重要，如下：

OnWillRenderObject:在添加到渲染通道的参数中发生。
AddToCollection:添加进渲染通道时引发的，主要分别把RenderObject里的所有Renderable包装成RenderData.
Render:渲染当前模型，子类调用相应渲染组件实际渲染。

　　VisibleNode:当要添加进渲染通道前，Distance用来表示与摄像机距离，用于后面排序。

　　Renderable:主要对应Ogre中的Material,相应的主要属性Material表示模型的渲染设置，Mark表示如GenShadow，CastShow与GenDepth的标记。

　　RenderData:当RenderObject添加进渲染通道后，和Ogre2.1中的RenderableCache这个概念比较像，包含渲染要用的所有元素，其中VisibleNode包含RenderObject与距离，Renderable包含材质与生成的着色器。

　　如上是渲染所需要的主要类，我们来看下相应的流程，在GraphicSystem中的OnUpdateFrame能找到如Ogre中的RenderOneFrame这个流程。

　　GraphicSystem:RenderAll()

　　　　RenderTarget::BeginRender()

　　　　Camera::RenderBegin()

　　　　RenderPipelineManger::OnRenderPipeline(camera)

　　　　Camera::RenderEnd()

　　　　RenderTarget::EndRender()

　　看过渲染引擎代码的可以看到，这段代码大致都有，意思主要是渲染所有RenderTarget,然后针对每个RenderTarget的Viewport开始渲染，Viewport对应的Camera开始渲染，意思主要的工作都是RenderPipelineManager::OnRenderPipeline来完成的，我们来看下，这个方法主要完成了那些事情。

　　首先把模型添加进渲染通道 OnRenderPipeline->AssignVisibleNodes.

　　这步主要是添充模型到PipelineParamters这个结构的参数中，其中用到前面所说的Vis这个项目，用四叉树的理论来方便根据摄像机的位置Culling得到相应的VisEntity列表。

　　然后根据VisEntity列表中的RenderObject与Camera中的mark匹配，如果正确就填充到PipelineParamters中的m_callBacks中，并且计算RenderObject中的Camera与距离包装成VisibleNode填充到PipelineParamters中的m_VisibleNodes中，以及设置不需要Cull,始终添加进渲染通道中的RenderObject到PipelineParamters中。

　　在上面的AssignVisibleNodes后，开始调用RenderObject中的OnWillRenderObject函数。　　

　　在AssignVisibleNodes后，调用RenderObject的OnWillRenderObject函数，可以看到，这个函数在Cull之后，渲染之前。

　　然后调用AssignEffectiveLight:渲染RTT阴影，具体的流程大家可以自己看下，对比一下常规渲染。

　　其次把渲染通道中的模型排序把PipelineParamters中的m_VisibleNodes填充到RenderDataManage中。

　　在这调用AssignRenderDatas:这步把VisibleNode中的RenderObject通过AddToCollection添加到RenderDataManager中。子类通过AddToCollection能把相应的RenderObject转化成对应的一个或多个Renderable放入渲染通道,组织Renderable与VisibleNode成RenderData,其中根据Renderable的通道ID放入把对应RenderData放入不同通道(过程查看RenderDataManager::Push)，然后排序。

　　1.正常渲染下

　　首先是不透明的模型：先比较Material中的通道ID(queue_index)，再比较Material的m_sort，再比较Shader的ID,再比较与摄像机的距离,最后就是本身的索引.

　　然后是透明的模型:不同上面的是比较与摄像机的距离移到较Material的m_sort之前，别的一样。

　　最后是如UI这种显示在表面的模型,比较Material中的通道ID(queue_index)

　　2.阴影模型渲染下

　　只比较不透明模型：比较Material的m_sort,再比较Shader的ID,最后比较摄像机的距离

　　渲染模型 RenderPipelineManager::renderPipeline

　　其中渲染模式不同，如前向渲染，后向渲染，自定义渲染调用不同的RenderPipeline子类实现，前向渲染中的如渲染深度图，后向渲染GBuffer，共同正常渲染模型都要调用renderRenderabList.

　　renderRenderabList简单来说，把上面的RenderPipelineManager中的RenderDataManager里的数据取出来，RenderDataManager如前面所示，通道ID分组，如背景，不透明，透明，粒子，UI等，渲染每个通道中的RenderData列表，然后遍历每个RenderData。

　　其中会先调用GraphicRenderer::BeforeRender来确定RenderData里的Renderable是否需要切换shader.

　　然后RenderData找到对应的RenderObject调用Render,主要看子类的实现，取出如顶点位置，颜色，索引的数据，可以看如particlerenderobject::render粒子效果,SkinnedRenderObject::render(这类有硬件蒙皮的相关一种实现），MeshRenderObject::render常规网格渲染实现。可以看到，相应的render都现在一个类PrimitiveHandle,如上面所说，包含顶点位置，颜色，索引等的缓冲区数据信息，可以查看相关GraphicSystem/RenderSystem::CreatePrimitiveHandle的相应实现,RenderSystem可以看到，分别是把VBO与IBO分发到DX9与GLES中来绑定。并添加到RenderSystem相当于CommandList概念的RenderResourceHandleSet对象m_renderHandles上。如Ogre2.1中的CommandType，对应在RenderSystem中的Base中的RenderCommandType，其中eRenderCMDType可以看到一个对应的枚举。

　　整个渲染流程差不多就是如此，其中要对比的话，应该是和Ogre2.1中的slow模式比较像，就是专门用来处理移动平台gles2.0的这种，有材质排序，渲染命令如设置纹理，Drawcall也是都先包装成CommandList这种，比Ogre1.9要好的是材质排序了，这样同材质的只需要设置一次状态。到这里，如果Genesis3D真是参考了Unity的源码，我们也可以猜到，Unity(现在用的是5.2的版本)里的动态Batch并不是Ogre2.1中gl3+里的通过glDrawXXXBaseInstance与glMultiDrawXXXIndirect里的GPU Instance，而是一种CPU的方式，把Mesh里的顶点重组，有点像我以前在这 Ogre 渲染目标解析与多文本合并渲染里把多个文本的顶点组合成一个Buffer后渲染。听说Unity5.3已经引入Opengl4，不知能不能把PC平台的渲染改成GPU的新API中的Instance渲染方式，移动平台可能要等到gles3.0全面开花才有可能了。

PassQuad

　　记的刚开始下载这个引擎只是因为Untiy特效中常用的Graphics.Blit这个函数，第一次看到感觉完全是Ogre合成器中的PassQuad,为了验证Untiy的实现是不是也是画一个-1，1的平面以及后面渲染输出到FBO来实现的，来看如下代码。　　

    void ImageFiltrationSystem::Render(const RenderBase::TextureHandle* texture, const RenderToTexture* target, const Material* material, int passIndex /* = 0 */, uint clearflag /* = */ )

    {

        QuadRenderable* renderable = NULL;

        if (texture)

        {

            GlobalMaterialParam* pGMP = Material::GetGlobalMaterialParams();

            pGMP->SetTextureParam(eGShaderTexMainBuffer, *texture);

        }

        Graphic::GraphicSystem* gs = Graphic::GraphicSystem::Instance();

        if (target)

        {

            const GPtr<RenderBase::RenderTarget>& rt = target->GetRenderTarget();

            renderable = target->GetRenderable();

            gs->SetRenderTarget(target->GetTargetHandle(), , clearflag);

        }

        else

        {

            renderable = gs->GetRenderingCamera()->GetQuadRenderable().get();

            gs->SetRenderTarget(sNullTarget, , clearflag);

        }

        if (NULL == material)

        {

            material = sImageCopyMaterial.get();

            passIndex = ;

        }

        const Graphic::MaterialParamList& mpl = material->GetParamList();

        const Util::Array<GPtr<Graphic::MaterialPass> >& passList = material->GetTech()->GetPassList();

        const GPtr<Graphic::MaterialPass>& pass = passList[passIndex];

        Graphic::GraphicSystem::Instance()->SetShaderProgram( pass->GetGPUProgramHandle() );

        GraphicRenderer::SetMaterialParams( mpl, pass );

        const GPtr<RenderBase::RenderStateDesc>& rso = pass->GetRenderStateObject();

        Graphic::GraphicSystem::Instance()->SetRenderState( rso );

        Graphic::GraphicSystem::Instance()->DrawPrimitive( renderable->GetQuadHandle() );

    }

RTT

　　可以看到QuadRenderable,就是如上所说的画一个-1到1的正方形，其顶点与UV坐标生成可以到QuadRenderable::Setup方法看到。其中gs->SetRenderTarget我们到glse分支上看到，确实通过FBO来实现的。

void RenderDeviceGLES::SetRenderTarget(RenderTarget* rt)

{

    n_assert (rt)

    const RenderTargetGLES* pRTGLES = _Convert<RenderTarget, RenderTargetGLES>(rt);

    GLbitfield mask = ;

    const GLESFrameBuf& fbo = pRTGLES->GetRenderTargetGLES();

    if (!pRTGLES->IsDefaultRenderTarget())

    {

        _UnbindBuffer();

        m_glesImpl->ActiveFrameBuffer(fbo.FrameBuf);

    }

    else

    {

        m_glesImpl->ActiveFrameBuffer(m_mainFBOnum);

        mask |= GL_DEPTH_BUFFER_BIT;

        mask |= GL_STENCIL_BUFFER_BIT;

    }

    uint clearFlags = pRTGLES->GetClearFlags();

    if (clearFlags & RenderTarget::ClearColor)

    {

        mask |= GL_COLOR_BUFFER_BIT;

    }

    if (pRTGLES->HasDepthStencilBuffer())

    {

        if (clearFlags & RenderTarget::ClearDepth)

        {

            mask |= GL_DEPTH_BUFFER_BIT;

        }

        if (clearFlags & RenderTarget::ClearStencil)

        {

            mask |= GL_STENCIL_BUFFER_BIT;

        }

    }

    if (mask != )

    {

        const Math::float4& color = pRTGLES->GetClearColor();

        glClearColor(color.x(), color.y(), color.z(), color.w());

        m_glesImpl->CheckError();

        GLboolean bDepthMask = GL_FALSE;

        glGetBooleanv(GL_DEPTH_WRITEMASK, &bDepthMask);

        glDepthMask(GL_TRUE);

        m_glesImpl->CheckError();

        glClear(mask);

        m_glesImpl->CheckError();

        glDepthMask(bDepthMask);

        m_glesImpl->CheckError();

    }

}

SetRenderTarget

　　如上Ogre中的PassQuad差不多也是一样。

　　如上所有结论都只是针对Genesis3D里的实现，至于和Unity有多少和这些相似就不保证了,不过上面Genesis3D的渲染流程确实可以解释最上面图片里的现象，有知道Unity3D内部实现的同学欢迎指正。

　　在2015定下的目标，C++11实践，Ogre，用Ogre实现某东东，虽然实现的都不是很完善，但是惊喜的是Ogre2.1的出来，并理解其中大部分内容，学习最新引擎的实现相关优化。而在这一年，主要在新公司学习Unity以及VR，理解Unity与VR的原理。哈哈，非常看好VR，感觉未来的方向就是这个，如果2016年尾有时间，学习下相应UE4的源码。

码农公寓

Genesis3D的渲染流程

首先把模型添加进渲染通道 OnRenderPipeline->AssignVisibleNodes.

其次把渲染通道中的模型排序 把PipelineParamters中的m_VisibleNodes填充到RenderDataManage中。

渲染模型 RenderPipelineManager::renderPipeline

PassQuad

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　　其次把渲染通道中的模型排序把PipelineParamters中的m_VisibleNodes填充到RenderDataManage中。

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