Unity的渲染路径

在Unity里，渲染路径（Rendering Path）决定了光照是如何应用到Unity Shader中的，只有正确的设置每个Pass的渲染路径，Unity才会给Shader提供正确的光源信息（位置，方向，颜色，强度，衰减），我们在计算光照时才会有正确的结果。
在Unity中提供了两种渲染路径：

一、前向渲染（Forward Rendering Path）

前向渲染也有两种路径：

Base Pass
Tags{"LightModel"="ForwardBase"}
Addtional Pass
Tags{"LightModel"="ForwardAdd"}

前向渲染路径是传统的渲染方式，也是常用的一种渲染路径

伪代码
Pass
{
    for(each primitive in model)
    {
        //所有被这个三角形包围的片元
        for(each fragment covered by this primitive)
        {
            if(failed in depth test)
            {
                //如果深度测试失败，说明该片元不可见，不应该被着色
                discard;
            }
            else{
                float4 color = Shading(materialInfo,pos,normal,lightDir,viewDir);
                writeFrameBuffer(fragment,color);
            }  
        }
    }
}

1、原理

每进行一次完整的前向渲染，都需要渲染该对象的渲染图元，并计算两个缓冲区的信息：颜色缓冲区，深度缓冲区。利用深度缓冲区来决定一个片元是否可见，如果可见就更新颜色缓冲区的颜色值。
每个逐像素光源，都需要进行一次完整的渲染流程。如果一个物体在多个逐像素光源的影响区域内，则这个物体需要执行多个Pass，每个Pass计算一个逐像素的的光照结果，然后在帧缓冲中把这些光照结果混合起来得到最终的颜色值。也就是如果有N个物体受M个光源影响，则需要执行N*M次的Pass。所以逐像素的光源如果多了就会有更多的Pass。因此引擎一般都会限制逐像素光照的数目。

2、Unity中的前向渲染

而实际上一个Pass不仅仅是可以执行逐像素的光照，还可以进行逐顶点等光照，这取决于计算光照的流水线以及使用的数学模型。当渲染一个物体时，Unity会计算哪些光源会照亮这个物体，以及这个光源照亮物体的方式（就是用哪种方式来计算）。
在Unity中，前向渲染路径有3种处理光照（即照亮物体的方式）的方式：逐顶点处理，逐像素处理，球谐函数（Spherical Harmonics Function）处理。而决定一个光源使用哪种处理模式取决于光源的类型和渲染的模式。光源类型指的是该光源是平行光还是其他类型光，而光源的渲染模式指的是该光源是否是重要的（Important）。如果设置成Important，就意味着使用逐像素的方式。
在前向渲染中，Unity会根据场景中各个光源的设置以及这些光源对物体的影响程度（距离物体的远近，光强度等）对场景中的光源进行一个重要度的排序。其中一定数目的光源按照逐像素的方式处理，最多有4个光源会逐顶点的方式处理，剩下的就会按照SH处理，具体规则如下：
（1）场景中最亮的平行光总是按照逐像素处理。
（2）渲染模式被设置成Not Important的会按照逐顶点或SH处理

image.png
（3）渲染模式被设置成Important的会按照逐像素处理
image.png
（4）如果场景中逐像素的光源数目小于Quality Setting中的逐像素光源数量，那么剩余的逐像素光源也会按照逐像素处理
image.png
两种Pass的对光照的计算：
（1）Base Pass
支持访问光照纹理（lightmap）、平行光默认支持阴影（平行光源开启阴影功能）、可以在Base Pass中计算环境光，自发光（因为这两种光只需要计算一次就可以）。既可以逐像素光照，也可以逐顶点。一般只执行一次。
（2）Addtional Pass
Addtional Pass中渲染的光源默认情况下没有阴影，即便光源本身设置了Shadow Type，但是可以使用编译指令：
#pragma multi_compile_fwadd_fullshadows
为点光源，聚光灯开启阴影效果。还需要开启混合模式，因为我们需要把Addtional Pass中的得到光照颜色和上一次的光照叠加起来，从而得到多个光照渲染的效果，如果没有混合，之前的颜色会覆盖掉，看起来像只受最后一个光源的影响，一般都是Blend One One，也是可以是其他。
Shadow Type

通常对于前向渲染UnityShader只需要定义一个Base Pass（也可以定义多个，如双面渲染，需要先画后面，再画前面），一个Addtional Pass。一般Base Pass只会执行一次（定义多个就执行多次），而Addtional Pass会根据影响该物体的其他逐像素光源的数目被多次调用（逐顶点也可以）。
渲染路径的设置用于告诉Unity该Pass在前向渲染路径中的位置，引擎就会在相关计算中填充一些内置变量。至于如何使用这些变量，完全取决于开发者，如在BasePass和Addtional Pass中逐顶点光照而不是逐像素光照。

两种Pass的特性

二、延迟渲染（Deferred Rendering Path）

前向渲染的问题是：当场景中存在大量实时光源时，渲染性能会急剧下降。当有很多光源重叠在一个区域内，为了得到最终的光照颜色，需要为每个光源执行一次Pass，如果这个区域内很多物体那么执行Pass的次数会成倍增加，而每执行一次Pass就会重新渲染一次物体，这样性能会下降。
延迟渲染（Deferred Rendering）目的是为了解决前向渲染产生的瓶颈问题（延迟渲染已经是一种古老的渲染方法，只是近几年又流行起来）。除了前向渲染使用的颜色缓冲区和深度缓冲区，延迟渲染还会使用额外的缓冲区，被统称为G缓冲区（Geometry，G-Buffer）。G缓冲区存储了我们所关心的表面信息（通常都是离摄像机最近的表面），如表面的法线，位置，材质属性。

1、原理

伪代码
Pass1
{
    //第一个Pass不进行光照，只根据深度把能写入G-Buffer的片元挑选出来
    for(each primitive in model)
    {
        //所有被这个三角形包围的片元
        for(each fragment covered by this primitive)
        {
            if(failed in depth test)
            {
                //如果深度测试失败，说明该片元不可见，不应该被写入G-Buffer
                discard;
            }
            else{
                 //如果可见就就要把相关信息存储到G-Buffer中
                WriteGBuffer(materialInfo,pos,normal,lightDir,viewDir);
            }  
        }
    }
}

Pass2
{
    //第二个Pass会根据G-Buffer中的片元信息进行光照
    for(each pixel in screen)
    {
       if(the pixel is valid)
       {
           //如果该像素是有效的
           //读取它对应的G缓冲中的信息
           readGBuffer(pixel,materialInfo,pos,normal,lightDir,viewDir);

           //根据读取的信息进行光照
           float4 color = Shading(materialInfo,pos,normal,lightDir,viewDir);
           WriteFrameBuffer(pixel,color);
       }
    }
}

延迟渲染主要包含两个Pass，第一个Pass中不进行任何光照，只根据深度信息把符合条件的片元信息存储到G-Buffer中。第二个Pass，会根据G-Buffer中的各个片元的信息，如法线，视角方向，漫反射系数等进行光照计算。
可以看出延迟渲染和场景中的光源数量是没有关系的，因为经过第一个Pass之后，G-Buffer里面存储的就已经是可以直接进行光照计算的片元信息了，只需要画一次就可以了（对与前向渲染可能得需要画N*M次）。所以对于延迟渲染G-Buffer的大小才是性能的瓶颈所在，而G-Buffer又和屏幕空间大小有关，所以延迟渲染的效率在于我们使用的屏幕空间大小。所以说延迟渲染所有光源都可以使用逐像素处理。

2、延迟渲染的缺点

（1）不支持真正的抗锯齿（anti-aliasing）
（2）无法处理半透明物体（半透明关闭了深度写入）
（3）需要显卡支持

3、Unity中的延迟渲染

在Unity中使用延迟渲染。需要提供两个Pass。
第一个Pass用于渲染G缓冲，在这个Pass中，需要把物体的漫反射颜色，高光反射颜色，平滑度，法线，和深度信息渲染到屏幕空间的G-Buffer中，对于每个物体，这个Pass只会执行一次。
第二个Pass，用于真正的关照计算，会使用上一个Pass中的渲染数据来计算最终的颜色，在存储到帧缓冲区中。第二个Pass可以默认使用Unity内置的Standard光照模型。