Unity3D中Rendering Paths及LightMode的示例分析

Unity3D中Rendering Paths及LightMode的示例分析

目錄

1. 引言
2. Rendering Paths概述
   • 2.1 Forward Rendering
   • 2.2 Deferred Rendering
   • 2.3 Legacy Deferred Lighting
   • 2.4 Legacy Vertex Lit
3. LightMode概述
   • 3.1 Always
   • 3.2 ForwardBase
   • 3.3 ForwardAdd
   • 3.4 Deferred
   • 3.5 ShadowCaster
   • 3.6 PrepassBase
   • 3.7 PrepassFinal
   • 3.8 Vertex
   • 3.9 VertexLMRGBM
   • 3.10 VertexLM
4. Rendering Paths與LightMode的關系
5. 示例分析
   • 5.1 Forward Rendering示例
   • 5.2 Deferred Rendering示例
   • 5.3 Legacy Deferred Lighting示例
   • 5.4 Legacy Vertex Lit示例
6. 總結

引言

在Unity3D中，渲染路徑（Rendering Paths）和光照模式（LightMode）是決定場景如何渲染和光照如何計算的關鍵因素。理解這些概念對于優化渲染性能、實現特定視覺效果至關重要。本文將深入探討Unity3D中的Rendering Paths和LightMode，并通過示例分析它們在實際項目中的應用。

Rendering Paths概述

Rendering Paths決定了Unity如何計算和渲染光照。Unity支持多種渲染路徑，每種路徑都有其特定的優勢和適用場景。

2.1 Forward Rendering

Forward Rendering（前向渲染）是Unity中最常用的渲染路徑之一。它逐像素計算光照，適用于大多數場景，尤其是移動設備和低端硬件。

特點： - 逐像素光照計算 - 支持多種光源類型 - 適用于移動設備和低端硬件

適用場景： - 移動游戲 - 低端硬件 - 需要實時動態光照的場景

2.2 Deferred Rendering

Deferred Rendering（延遲渲染）是一種更復雜的渲染路徑，適用于需要處理大量光源的場景。它將光照計算延遲到幾何渲染之后，通過G-Buffer存儲幾何信息。

特點： - 延遲光照計算 - 支持大量光源 - 需要較高的硬件性能

適用場景： - 高端PC游戲 - 需要大量動態光源的場景 - 復雜的光照效果

2.3 Legacy Deferred Lighting

Legacy Deferred Lighting（傳統延遲光照）是Unity早期版本的延遲渲染路徑，現已不推薦使用。它使用不同的G-Buffer格式和光照計算方式。

特點： - 舊版延遲渲染 - 不推薦使用 - 兼容性較差

適用場景： - 舊版Unity項目 - 需要兼容舊版硬件的場景

2.4 Legacy Vertex Lit

Legacy Vertex Lit（傳統頂點光照）是Unity早期版本的頂點光照渲染路徑，現已不推薦使用。它逐頂點計算光照，適用于低端硬件。

特點： - 逐頂點光照計算 - 不推薦使用 - 兼容性較差

適用場景： - 舊版Unity項目 - 需要兼容舊版硬件的場景

LightMode概述

LightMode是Shader中的一個標簽，用于指定Shader在特定渲染路徑下的行為。不同的LightMode決定了Shader如何處理光照和陰影。

3.1 Always

Always模式表示Shader在所有渲染路徑下都會執行，不受光照影響。

適用場景： - 不需要光照的Shader - 全屏特效 - UI元素

3.2 ForwardBase

ForwardBase模式用于Forward Rendering中的基礎通道，處理環境光和主方向光。

適用場景： - Forward Rendering中的基礎光照 - 環境光和主方向光

3.3 ForwardAdd

ForwardAdd模式用于Forward Rendering中的附加通道，處理額外的逐像素光源。

適用場景： - Forward Rendering中的附加光源 - 逐像素光源

3.4 Deferred

Deferred模式用于Deferred Rendering中的幾何通道，將幾何信息寫入G-Buffer。

適用場景： - Deferred Rendering中的幾何通道 - G-Buffer寫入

3.5 ShadowCaster

ShadowCaster模式用于生成陰影貼圖，計算物體的陰影。

適用場景： - 陰影生成 - 陰影貼圖計算

3.6 PrepassBase

PrepassBase模式用于Legacy Deferred Lighting中的基礎通道，處理環境光和主方向光。

適用場景： - Legacy Deferred Lighting中的基礎光照 - 環境光和主方向光

3.7 PrepassFinal

PrepassFinal模式用于Legacy Deferred Lighting中的最終通道，計算最終光照。

適用場景： - Legacy Deferred Lighting中的最終光照 - 最終光照計算

3.8 Vertex

Vertex模式用于Legacy Vertex Lit中的頂點光照計算。

適用場景： - Legacy Vertex Lit中的頂點光照 - 頂點光照計算

3.9 VertexLMRGBM

VertexLMRGBM模式用于Legacy Vertex Lit中的頂點光照計算，使用RGBM編碼。

適用場景： - Legacy Vertex Lit中的頂點光照 - RGBM編碼

3.10 VertexLM

VertexLM模式用于Legacy Vertex Lit中的頂點光照計算，使用LDR編碼。

適用場景： - Legacy Vertex Lit中的頂點光照 - LDR編碼

Rendering Paths與LightMode的關系

Rendering Paths和LightMode密切相關，不同的渲染路徑決定了Shader中LightMode的行為。例如，在Forward Rendering中，ForwardBase和ForwardAdd模式分別處理基礎光照和附加光源；而在Deferred Rendering中，Deferred模式負責將幾何信息寫入G-Buffer。

示例分析

5.1 Forward Rendering示例

在Forward Rendering中，ForwardBase模式處理環境光和主方向光，ForwardAdd模式處理附加光源。以下是一個簡單的Forward Rendering Shader示例：

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

        Pass {
            Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

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

            struct v2f {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _Color;

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

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
                fixed4 texcol = tex2D(_MainTex, i.uv);
                float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float NdotL = max(0, dot(worldNormal, lightDir));
                fixed4 finalColor = texcol * _Color * NdotL;
                return finalColor;
            }
            ENDCG
        }

        Pass {
            Tags { "LightMode"="ForwardAdd" }
            Blend One One
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

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

            struct v2f {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _Color;

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

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
                fixed4 texcol = tex2D(_MainTex, i.uv);
                float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float NdotL = max(0, dot(worldNormal, lightDir));
                fixed4 finalColor = texcol * _Color * NdotL;
                return finalColor;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

5.2 Deferred Rendering示例

在Deferred Rendering中，Deferred模式負責將幾何信息寫入G-Buffer。以下是一個簡單的Deferred Rendering Shader示例：

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

        Pass {
            Tags { "LightMode"="Deferred" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

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

            struct v2f {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _Color;

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

            void frag (v2f i, out half4 outDiffuse : SV_Target0, out half4 outSpecular : SV_Target1, out half4 outNormal : SV_Target2, out half4 outEmission : SV_Target3) {
                fixed4 texcol = tex2D(_MainTex, i.uv);
                float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                outDiffuse = texcol * _Color;
                outSpecular = fixed4(0, 0, 0, 0);
                outNormal = fixed4(worldNormal * 0.5 + 0.5, 1);
                outEmission = fixed4(0, 0, 0, 0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

5.3 Legacy Deferred Lighting示例

在Legacy Deferred Lighting中，PrepassBase和PrepassFinal模式分別處理基礎光照和最終光照。以下是一個簡單的Legacy Deferred Lighting Shader示例：

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

        Pass {
            Tags { "LightMode"="PrepassBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

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

            struct v2f {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _Color;

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

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
                fixed4 texcol = tex2D(_MainTex, i.uv);
                float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float NdotL = max(0, dot(worldNormal, lightDir));
                fixed4 finalColor = texcol * _Color * NdotL;
                return finalColor;
            }
            ENDCG
        }

        Pass {
            Tags { "LightMode"="PrepassFinal" }
            Blend One One
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

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

            struct v2f {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _Color;

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

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
                fixed4 texcol = tex2D(_MainTex, i.uv);
                float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float NdotL = max(0, dot(worldNormal, lightDir));
                fixed4 finalColor = texcol * _Color * NdotL;
                return finalColor;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

5.4 Legacy Vertex Lit示例

在Legacy Vertex Lit中，Vertex模式用于逐頂點光照計算。以下是一個簡單的Legacy Vertex Lit Shader示例：

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

        Pass {
            Tags { "LightMode"="Vertex" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

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

            struct v2f {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _Color;

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

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
                fixed4 texcol = tex2D(_MainTex, i.uv);
                float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float NdotL = max(0, dot(worldNormal, lightDir));
                fixed4 finalColor = texcol * _Color * NdotL;
                return finalColor;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

總結

Unity3D中的Rendering Paths和LightMode是決定場景渲染和光照計算的關鍵因素。通過理解這些概念，開發者可以更好地優化渲染性能，實現特定的視覺效果。本文詳細介紹了Unity3D中的各種Rendering Paths和LightMode，并通過示例展示了它們在實際項目中的應用。希望本文能為Unity開發者提供有價值的參考，幫助他們在項目中更好地應用這些技術。