Scriptable Render Pipeline (1)

• 前言

2018年，Unity 導入了 Scriptable Render Pipeline(之後簡稱 SRP)，

讓開發者可以自訂專屬的 render pipeline ，大大的提升效能優化和特殊渲染需求的靈活性。

但使用自訂 render pipeline 也意味著之前 Unity 幫使用者處理的功能，

像是 culling、shadow map ... 等，都必須重新建置。

因此， Unity 也提供了兩個範本供開發者使用，包含：

• Lightweight Render Pipeline(改名為Universal Render Pipeline)，提供給低端設備使用
• High Definition Render Pipeline，提供給高端設備使用

開發者可以根據需求直接修改範本。

雖然可以直接修改範本，但仍需要一些基礎知識才能有要利用。

因此本文將不使用 Unity 提供的範本，選擇從無開始建構一個完全客製的 render pipeline，

期望能在建構途中了解 SRP 的基礎原理，以方便之後能有效利用並修改 Unity 提供的範本。

客製化的 render pipeline 在 mobile 上的實行結果

• 安裝與設定

本文使用的開發環境為 Unity 2019.3.2f1，

程式碼所使用的函數名稱或所屬的 namespace 可能會根據 Unity 版本不同而有變化，

在閱讀與實作上請注意。

首先，為了要能夠使用 SRP，需要從 Window\Package Manager 下載專用的 package

接著，產生一個 C# 檔案並任意取個名字(本文命名 DemoPipeline.cs)，然後編輯內容如下

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;

public class DemoPipeline : UnityEngine.Rendering.RenderPipeline
{
    protected override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)
    {
        
    }
}

DemoPipeline.cs 主要是描述 Render Pipeline 的運作內容，

需要繼承 UnityEngine.Rendering.RenderPipeline。

渲染時，會呼叫 Render 函式， 並根據 Render 函式實作內容，決定渲染流程。


接下來，為了能讓 Unity 使用客製的 render pipeline，

需要建立一個 RenderPipelineAsset 檔案，作為接口，

使 Unity 知道要如何取得 DemoPipeline.cs 內的實作內容。

為了達到這個目的，同樣地，

在專案下建立一個 C# 檔案並任意取個名字(本文命名為 DemoPipelineAsset.cs)，

然後編輯內容如下

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;

[CreateAssetMenu(menuName = "Demo Pipeline")]
public class DemoPipelineAsset : UnityEngine.Rendering.RenderPipelineAsset
{
    protected override RenderPipeline CreatePipeline()
    {
        return new DemoPipeline();
    }
}

由於我在腳本上使用了 CreateAssetMenu 這個 Unity內建的 Attribute，

因此我可以在 Unity 編輯器內，點擊滑鼠右鍵產生 DemoPipelineAsset 的 Asset。

只要把這個 Asset，告知 Unity，Unity就知道要使用哪個 SRP 作為渲染流程。

告知 Unity 的方法有兩個

1. 在 Project Settings\Graphics 設定，將 Asset 用滑鼠拖曳到指定欄位

2. 在 Script 呼叫 GraphicsSettings.renderPipelineAsset [1]

public DemoPipelineAsset demoAsset;
GraphicsSettings.renderPipelineAsset = demoAsset;

如果按照上述說明並實作至此，會發現到完全沒有畫面。

這是正確的，因為我還沒有為 DemoPipeline::Render 這個函式製作任何內容。

因此接下來要做的事情就是實裝 Render 函數的內容。


首先，觀察到函數帶了兩個引數 context 和 cameras 

protected override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)

context 是一個 native code，裡面封裝了所有渲染物件的資料

cameras 是一個 camera 陣列，Scene 裡面所有的 camera 都會被包裝到這個陣列裡面。

因為渲染是畫出 camera 所看到的內容，因此第一步我必須要針對所有的 camera 做處理。

protected override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)
{
    for(int i = 0; i < cameras.Length; ++i)
    {
        // To Do
    }
}

接著，畫出一個天空球，讓畫面不會太孤單

protected override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)
{
    for(int i = 0; i < cameras.Length; ++i)
    {
        if (cameras[i].clearFlags == CameraClearFlags.Skybox)
            context.DrawSkybox(cameras[i]);
    }
}

由於天空球是個渲染物件，因此他被封裝在 context 裡面，

我必須要透過呼叫專用的函式(DrawSkyBox)，去渲染天空球。

但呼叫後並不會馬上被執行，這是因為我是在 CPU 呼叫指令，但執行是在 GPU，

因此，我必須要在設定好所有指令後，將指令送給GPU執行。

protected override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)
{
    for(int i = 0; i < cameras.Length; ++i)
    {
        if (cameras[i].clearFlags == CameraClearFlags.Skybox)
            context.DrawSkybox(cameras[i]);
    }

    context.Submit();
}

透過呼叫 context.Submit()，將所有渲染指令送到 GPU。

執行到這裡，不論是 Game View 或 Scene View，畫面都會出現熟悉的背景天空。

但仔細一看會發現不論我怎麼轉動攝影機，畫面永遠維持不變。

這是因為我並沒有把攝影機的資料傳入(攝影機的面向、轉角 ... etc)。

既然如此，我知道我接下來要做的事是設定攝影機的資料，並把資料傳給 GPU 做運算。

protected override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)
{
    for(int i = 0; i < cameras.Length; ++i)
    {
        context.SetupCameraProperties(cameras[i]);
        if (cameras[i].clearFlags == CameraClearFlags.Skybox)
            context.DrawSkybox(cameras[i]);
    }

    context.Submit();
}

context.SetupCameraProperties() 函數會自動幫我設定渲染所需攝影機的所有資料，

這樣，背景的天空就會隨著攝影機的角度而有不同的畫面。


到了這裡，看似已經完成一個背景天空渲染的基礎 SRP，

但熟悉 render pipeline 的人，應該會發現我沒有做一個做基礎的動作。

對，就是清除 render buffer。

在本文範例中，因為是全畫面渲染，因此清不清除 render buffer 都看不出問題來。

但如果畫面中不是一個全螢幕渲染，這時就會出現破綻。

因此，我必須在每個攝影機執行渲染動作前，

先下指令清除上一個 frame 留下了的 render buffer 資料。


但 render buffer 並不是一個渲染物件，因此沒有被封裝在 context 裡面。

對此，Unity 提供了 CommandBuffer 這個 class，讓開發者可以呼叫 context 不支援的指令。

protected override void Render(ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras)
{
    CommandBuffer cmdBuff = new CommandBuffer();
    for(int i = 0; i < cameras.Length; ++i)
    {
        ClearRenderBuffer(cmdBuff, context, cameras[i]);
        context.SetupCameraProperties(cameras[i]);
        if (cameras[i].clearFlags == CameraClearFlags.Skybox)
            context.DrawSkybox(cameras[i]);
    }

    context.Submit();
    cmdBuff.Release();
}

void ClearRenderBuffer(CommandBuffer cmd, ScriptableRenderContext context, Camera cam)
{
    CameraClearFlags clearFlags = cam.clearFlags;

    bool isClearDepth = true;
    bool isClearColor = true;

    switch (clearFlags)
    {
        case CameraClearFlags.Depth:
            isClearColor = false;
            break;

        case CameraClearFlags.Nothing:
            isClearDepth = false;
            isClearColor = false;
            break;
    }

    cmd.ClearRenderTarget(isClearDepth, isClearColor, cam.backgroundColor);
    context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
    cmd.Clear();
}

透過設定 CommandBuffer，然後呼叫 context.ExecuteCommandBuffer，

如此 context 內部會複製 CommandBuffer 設定的指令，

當 context 資料傳送給 GPU執行時，這些被複製的指令也會一併被 GPU 執行。

執行的順序會依據呼叫 context 的任何函數的先後來決定。

• 結論

本章節簡單的說明如何安裝並建立一個簡單的 SRP，

之後的章節會延續本章節的結果，一步一步的新增(修改)程式碼，

並簡單說明新增(修改)目的，直到能達成章節一開始所展示的客製 SRP 結果。

• References

1.Unity Manual