基于SRP复刻《动物派对》

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前言

《动物派对》马上就要上线了，我很喜欢这款游戏,这次的china joy上还买到了他们的周边哈哈哈，真可爱。

最近在家，打算做一个相对完成的渲染流程，就选择《动物派对》进行复刻啦！

选择《动物派对》的理由有几点：

1，渲染风格是我个人喜欢的类型

2，美术资源的获取相对简单

3，延迟渲染管线是我个人之前没有搭建过的，正好学习

选择写文章记录下来，目的是分享和展示，以及自己备忘。

《动物派对》截帧分析与渲染技术点罗列

下载了之前官方测试时候的Demo。用RenderDoc截了几帧。

这里单纯罗列使用到了哪些技术。

渲染管线类型

延迟渲染

整体的思路和unity urp的大同小异。

GBuffer

Gbuffer一共五张Render Texture

Gbuffer A ：RGB 是非金属的Albedo ，A 通道为AO

GBuffer B：RGB是世界空间法线

GBuffer C：RGB是金属的Albedo，A是粗糙度

GBuffer D: 烘培了的阴影Mask的物体会渲染进 R通道，其他没有烘培光影的动态物体会输入RGBA。

（Buffer A 与C 之所以要分成两种 Albedo，从渲染公式角度讲，金属度越高，漫反射越少。）

（Buffer A 与C 的 Albedo 使用金属度进行了权重分配）

地形材质

游戏中战斗的地面是可以进行材质混合的地形材质。可以进行草地，泥土，砖块三种材质的混合。也是使用贴图最多的材质。算上光照贴图和shadowMask，用了十张图。

材质的混合使用顶点色配合贴图中的高度图通道进行。

阴影方案：

游戏使用了级联阴影，阴影图的大小是4096*4096.

人物渲染

有毛发的动物，毛发方案是多pass实现的。

抗锯齿方案：

TAA

全局光方案：

HBAO+shadowMask图+LightMap+光照探针+反射探针

HBAO

HBAO前后区别

Light Map与shadow Mask

运动模糊

只给动物加了运动模糊

其他后处理：Chromatic Aberration + Bloom +景深 +色调映射

Chromatic Aberration

What is chromatic aberration?
Chromatic aberration, also known as color fringing, is a color distortion that creates an outline of unwanted color along the edges of objects in a photograph. Often, it appears along metallic surfaces or where there’s a high contrast between light and dark objects, such as a black wall in front of a bright blue sky. Each type of aberration causes different colors of outlines along an object’s edge.
The failure of a camera lens to focus each of white light’s different wavelengths onto the same focal point may lead to blue-yellow, red-green, or magenta-purple fringing. This is due to the refractive index of glass; various wavelengths of light travel through the lens at different speeds, making it difficult for some lenses to focus each hue on the same focal plane.
什么是色差？
色差，也被称为彩色边缘，是一种颜色失真，沿着照片中物体的边缘产生不需要的颜色轮廓。通常，它出现在金属表面，或者明暗物体之间有很高对比度的地方，比如明亮的蓝天前的黑墙。每种类型的像差都会导致物体边缘的轮廓颜色不同。
相机镜头无法将不同波长的白光中的每一个聚焦到同一焦点上，可能会导致蓝黄、红绿或品红色-紫色边缘。这是由于玻璃的折射率；不同波长的光以不同的速度穿过透镜，使得一些透镜难以将每个色调聚焦在同一焦平面上。

下图中的内容是场景中的球拍。左边是原图，右边是进行了处理之后的效果

下图是整体画面的前后变化。

色调映射

这个调色对于整体风格起到了非常重要的作用

罗列完技术点之后，就可以正式开始复刻

美术资源获取

动物派对的demo没有做任何加密，很简单就可以用RenderDoc截取，大部分贴图资源我都是直接从RenderDoc中导出。关于模型资源，主要使用的是ninja ripper 2来得到，不过不是那么好用，花了不少时间去整理素材。而且还出来了法线反了的情况，需要一个个调整之后再导入到引擎，不是那么友好。另外，还使用了市面上的一些renderDoc模型导出插件，把csv格式转换为FBX格式，不过也偶尔会出一些问题，不过再两个软件的搭配下勉强算是把美术资源搞定了。之后有时间也有研究一下RenderDoc插件的想法，听说可以实现直接把整个场景导出，听着非常吸引人。

PreZ

《动物派对》游戏本身是没有使用Pre Z去处理植物的，也许是因为渲染压力并没有这么大，并且植物也没有造成大量的遮挡。

但是我在demo中还是使用了，只是单纯因为想练练手（笑）。如果是项目中，需要权衡开销以及需求等等问题。

PreZ Pass中，执行的是和depth only pass中相同的shader pass，区别是，depth only pass 的渲染目标是一张单独的深度图，而PreZ的目标与GBuffer填充阶段是相同的。并且只会渲染部分特定的物体。PreZ Pass只会渲染”Paints“层级下的物体。

unity时间参数的问题

目前我在unity2019.4和2021.3版本中都发现时间参数需要传递两次。

按照注释说的，是 context.SetupCameraProperties(camera);这个设置矩阵的函数影响了时间参数。说实话我没搞懂，就姑且无脑按照官方说的做了，目前我暂时也没发现有啥问题。

下面是官方urp的源码片段。

GBuffer填充

在我自己渲染的过程中，GBuffer阶段算上深度缓存，一共需要输出6张Render Texture

_GBuffer_Albedo的RGB通道是Albedo，A通道输入美术资源自带的AO

_GBuffer_Normal的RGB通道存储世界空间法线

_GBuffer_SpecularSmoothness的RGB通道存储金属的Specular，A通道存储光滑度

_GBuffer_GI 存储的是GI信息，动态物体的GI信息来自光照探针与反射探针，静态物体的GI信息来自光照贴图与反射探针。并且还会把主光源的实时阴影计算进去。（）

_GBuffer_ShadowMask 记录 shadowMask

_GDepth除了存储深度之后，还会存储模板值，GBuffer阶段输入不同材质的模板值，在光照计算阶段根据模板值渲染不同的结果。

如何写入模板值

我们当然可以在shader中手动写入模板相关的操作，不过unity也提供了统一管理渲染状态的方法

context.DrawRenderers中可以传入一个自定义的SubShader中的Tag类型名，一组shaderTagId以及一组RenderStateBlock。

通过这种方式就可以让添加了这些shaderTagId的材质使用对应的RenderStateBlock。也就可以控制模板值如何写入

草地渲染

《动物派对》中同样没有基于GPU Instancing的草地渲染，这也是我个人自己加上的，因为之前没写过，浅浅学习一下，看看存在哪些技术点。

为什么不用unity的地形系统的植被功能？

地形系统只能在Unity提供的mesh上进行植被的绘制，但是我希望草能长在我提供的mesh上

unity提供的GPU Instancing 方案如何使用，为什么不用？

默认管线中，只需要勾选材质中的 “GPU Instancing ”，就可以开启GPU Instancing（默认管线没有SRP Batcher）

在URP管线中，如果材质不支持SRP Btatcher 并且勾选材质中的 “GPU Instancing ”，就可以使用GPU Instancing

那么按照常理，在SRP中，只要我自己编写的 shader 支持 GPU Instancing ，不支持SRP Btatcher，是不是就可以直接使用GPU Instancing 了，那不就不用自己去实现一套草海绘制方案了吗？

其实并不是，unity官方文档表示，“Custom GPU instanced shaders”在SRP中是不支持的，只有在内置管线才支持（https://docs.unity3d.com/cn/current/Manual/gpu-instancing-shader.html）

也就是说，我的材质不能直接享受GPU Instancing 的合批，所以想在srp中使用GPU Instancing ，只能调用 unity提供的API去自己实现了。

选择哪个核心API？

unity提供了

Graphics.DrawMeshInstanced](https://docs.unity3d.com/cn/current/ScriptReference/Graphics.DrawMeshInstanced.html)

与

CommandBuffer.DrawMeshInstanced

两者的区别是什么？

文档中描述Graphics.DrawMeshInstanced，会把摄影机之外的实例进行剔除与排序（具体排序的限制一下没看懂），但是不会做遮挡剔除。也就是说不用担心视锥体之外的实例太多导致性能浪费。

CommandBuffer.DrawMeshInstanced 不会进行剔除，因为它是比较底层的，使用这个的时候需要考虑一下剔除的问题。

再考虑别的方面的区别。

Graphics 类的优点是简单易用，无需创建 CommandBuffer，并且可以在不同的脚本中调用，缺点是不够灵活，无法在渲染过程中更精确地控制渲染命令的顺序和逻辑。难以实现高级的渲染效果。

CommandBuffer 的优缺点和Graphics 类相反。

关于Graphics.DrawMeshInstanced到底是如何起作用的猜测，我觉得这个函数最后应该还是会调用类似 CommandBuffer.DrawMeshInstanced的函数来把渲染命令增加到渲染队列中。

分析到这里，在没有见过源码的情况下，结合demo现阶段的需求，我无法证明CommandBuffer.DrawMeshInstanced比 Graphics.DrawMeshInstanced好。

不过我还是选择CommandBuffer.DrawMeshInstanced，毕竟使用CommandBuffer还是比较有底。

使用CommandBuffer.DrawMeshInstanced，最核心的需求是。明确Mesh，Instance Material，以及一组坐标数据。

这些坐标数据需要以buffer或者贴图的形式直接传递给shader，在shader中利于instanceID 取采样到位置信息。

最大的需要解决的问题就是如何获取到坐标信息。

这次我的做法非常简单，我使用Prefab World Builder 作为我刷草的工具，把带有标记脚本的GameObject刷到场景中，来获取到一组坐标信息。需要说明的是，这绝对不是一个可商用的方式（我猜），我自己也没有对这套流程进行完善，只是为了能刷上草做的效果。随便学习unity中GPU Instancing 草的技术要点。