Unity3D 图形渲染（Graphics Rendering）详解

前言

Unity3D 是一款广泛使用的游戏引擎，其图形渲染系统是开发者创建高质量视觉效果的核心。本文将深入探讨 Unity3D 的图形渲染管线、渲染技术、以及如何通过代码实现自定义渲染效果。

对惹，这里有一个游戏开发交流小组，大家可以点击进来一起交流一下开发经验呀！

1. Unity3D 渲染管线概述

Unity3D 的渲染管线负责将 3D 场景转换为 2D 图像，最终显示在屏幕上。Unity 支持多种渲染管线，包括：

内置渲染管线（Built-in Render Pipeline）：Unity 默认的渲染管线，适用于大多数项目。
通用渲染管线（Universal Render Pipeline, URP）：适用于移动端、VR 和 2D 项目的轻量级渲染管线。
高清渲染管线（High Definition Render Pipeline, HDRP）：适用于高端 PC 和主机的高质量渲染管线。

1.1 渲染管线的主要阶段

几何处理（Geometry Processing）：

顶点着色器（Vertex Shader）：处理顶点数据，如位置、法线、纹理坐标等。
曲面细分（Tessellation）：可选阶段，用于增加几何细节。
几何着色器（Geometry Shader）：可选阶段，用于生成新的几何图元。

光栅化（Rasterization）：

将几何图元转换为像素片段（Fragments）。
深度测试（Depth Test）和模板测试（Stencil Test）在此阶段进行。

像素处理（Pixel Processing）：

片段着色器（Fragment Shader）：计算每个像素的颜色。
透明度处理（Alpha Blending）：处理透明物体的渲染。

后处理（Post-Processing）：

对渲染结果进行后期处理，如模糊、色彩校正等。

2. Unity3D 中的渲染技术

2.1 材质与着色器

材质（Material）是 Unity 中用于定义物体表面外观的资源，它依赖于着色器（Shader）来定义如何渲染物体。Unity 支持多种着色器语言，包括：

ShaderLab：Unity 自带的着色器语言，用于编写表面着色器（Surface Shader）。
HLSL：用于编写顶点和片段着色器。

2.1.1 编写自定义着色器

以下是一个简单的 HLSL 着色器示例，用于实现基本的漫反射光照：

Shader "Custom/DiffuseShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : NORMAL;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _Color;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float3 normal = normalize(i.worldNormal);
                float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
                float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return texColor * _Color * diff;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

2.2 光照与阴影

Unity 支持多种光照模型，包括：

Lambert 漫反射：基本的漫反射光照模型。
Blinn-Phong 高光反射：包含高光反射的光照模型。
PBR（Physically Based Rendering）：基于物理的渲染模型，适用于现代游戏。

2.2.1 实现阴影

Unity 使用阴影映射（Shadow Mapping）技术来实现阴影效果。以下代码展示了如何在自定义着色器中接收阴影：

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = v.uv;
    o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
    o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
    TRANSFER_SHADOW(o); // 传递阴影数据
    return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
    float3 normal = normalize(i.worldNormal);
    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
    float shadow = SHADOW_ATTENUATION(i); // 计算阴影衰减
    return texColor * _Color * diff * shadow;
}

2.3 后处理效果

后处理效果可以通过 Unity 的 OnRenderImage 方法实现。以下代码展示了如何实现一个简单的灰度效果：

using UnityEngine;

[ExecuteInEditMode]
public class GrayscaleEffect : MonoBehaviour
{
    public Material grayscaleMaterial;

    void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)
    {
        if (grayscaleMaterial != null)
        {
            Graphics.Blit(src, dest, grayscaleMaterial);
        }
        else
        {
            Graphics.Blit(src, dest);
        }
    }
}

对应的着色器代码如下：

Shader "Custom/Grayscale"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                float gray = dot(col.rgb, float3(0.299, 0.587, 0.114));
                return fixed4(gray, gray, gray, col.a);
            }
            ENDCG
        }
    }
}