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。

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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 200Pass{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 200Pass{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}}
}