【渲染流水线】[几何阶段]-[顶点着色]以UnityURP为例
[*]作用：处理模型顶点数据（坐标、法线、UV），输出裁剪空间位置（如顶点的MVP矩阵转换顶点从模型空间到裁剪空间）。
[*]裁剪空间：MVP变换的终点，顶点坐标未归一化，需保留w分量用于深度计算
[*]可配置：通过 Shader 代码重写顶点函数（如 #pragma vertex vert）。
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
核心功能
[*]顶点变换：将模型空间顶点位置转换为齐次裁剪空间坐标（positionOS → positionHCS），这是渲染的基础步骤。顶点着色器输出的 SV_POSITION 语义变量决定了最终屏幕位置。
[*]数据预处理：计算法线、切线、UV 等属性，并传递给片元着色器进行光照或纹理采样。例如，对 UV 进行 Tilling 和 Offset 操作以适应贴图重复。
[*]插值数据生成：为片元着色器准备插值数据（如光照贴图坐标、雾效混合因子），确保三角面片内属性的平滑过渡。
关键技术应用
[*]GPU Instancing 支持：通过 UNITY_MATRIX_MVP 等宏处理实例化对象的变换矩阵，提升批量渲染效率。
[*]特效实现：
[*]顶点偏移：动态修改顶点位置（如 v.positionOS.x += sin(_Time.y)），实现模型扭曲、幽灵效果等动态视觉。
[*]描边技术：通过平滑法线计算（存储在顶点色中）并外扩顶点，实现卡通渲染中的描边效果，避免尖端断裂问题
注意事项
[*]空间转换顺序：透视矫正插值必须在片元着色器中进行，顶点着色器中直接使用屏幕坐标会导致错误。
[*]渲染流程触发：通过 CommandBuffer 提交绘制命令后，GPU 自动执行顶点着色器，无需手动调用
顶点的空间转换
[*]空间转换的必要性
在渲染管线中，顶点数据需要经历多次坐标变换才能最终呈现在屏幕上。空间转换的核心目的是：
[*]统一计算基准：将模型、光照、相机等数据对齐到同一坐标系
[*]优化渲染效率：裁剪空间转换后可直接进行视锥剔除
[*]实现视觉效果：如透视投影、法线贴图等特效依赖特定空间的计算
[*]模型矩阵（M矩阵）
相关空间：模型空间 → 世界空间
[*]作用：将顶点从模型局部坐标系转换到全局世界坐标系
[*]必要性：
模型空间（局部坐标）仅描述物体自身结构，但场景中所有物体需统一参考系进行交互（如光照、碰撞）。
[*]功能：
[*]全局定位：物体位置、旋转、缩放统一到世界坐标系，实现场景布局。
[*]物理计算：光照方向（如平行光）、碰撞检测依赖世界坐标。
[*]空间关系：计算物体间距离或相对方向（如粒子特效跟随）。
[*]关键参数：
unity_ObjectToWorld // 模型→世界矩阵 unity_WorldToObject // 世界→模型逆矩阵
[*]典型应用：
[*]计算世界坐标：mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex)
[*]法线转换需使用逆转置矩阵：UnityObjectToWorldNormal()
技术细节：
[*]包含旋转(R)、平移(T)、缩放(S)分量：M = T × R × S
[*]非统一缩放会导致法线扭曲，必须特殊处理
[*]观察矩阵（V矩阵）
相关空间：世界空间 → 观察空间
[*]作用：以摄像机为原点建立右手坐标系
[*]必要性：
世界坐标需转换为以摄像机为原点的坐标系，确定顶点相对于摄像机的可见性。
[*]功能：
[*]裁剪准备：后续裁剪操作需基于摄像机视角（如视锥体裁剪）。
[*]视角相关效果：实现边缘光、雾效等依赖视角方向的特效。
[*]透视校正：齐次除法（x/w, y/w）实现近大远小效果。
[*]深度缓冲：z/w 生成标准化深度值 ，用于遮挡排序。
[*]简化投影：观察空间是投影变换的输入基准。
[*]特性：
[*]Z轴指向摄像机前方
[*]坐标系原点在摄像机位置
[*]URP接口：
UNITY_MATRIX_V // 世界→观察矩阵 GetWorldSpaceViewDir() // 获取观察方向
计算原理：
[*]由摄像机位置/旋转参数构建
[*]实际是世界→观察的逆变换
[*]投影矩阵（P矩阵）
相关空间：观察空间 → 裁剪空间
[*]核心功能：
[*]透视/正交投影转换
[*]定义视锥体范围（近/远裁剪面）
[*]生成齐次坐标（w分量用于透视除法）
[*]URP实现：
UNITY_MATRIX_P // 观察→裁剪矩阵 UnityObjectToClipPos() // 整合MVP的快捷宏
透视矩阵特性：
[*]产生近大远小效果
[*]计算公式：
[*] = [ (2n)/(r-l) 0 (r+l)/(r-l) 0 ]
[*] = [ 0 (2n)/(t-b) (t+b)/(t-b) 0 ]
[*] = [ 0 (2n)/(t-b) (t+b)/(t-b) 0 ]
[*] = [ 0 0 -1 0 ]
[*]矩阵组合与应用
[*]完整变换链：
MVP = P × V × M
clipPos = mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex))
[*]URP优化策略：
[*]预计算VP矩阵减少乘法次数
[*]使用TransformXXX系列宏保证跨平台一致性
[*]调试技巧：
[*]通过Frame Debugger验证各空间坐标
[*]使用Visualize Space着色器调试工具
// URP 顶点着色器片段
v2f vert (Attributes v) {
v2f o;
// M 转换：模型 → 世界
float3 worldPos = TransformObjectToWorld(v.positionOS);
// V 转换：世界 → 观察
float3 viewPos = TransformWorldToView(worldPos);
// P 转换：观察 → 裁剪
o.positionCS = TransformWViewToHClip(viewPos);
return o;
}
URP 顶点着色器中关键功能
[*]MVP矩阵应用
[*]模型空间→裁剪空间转换使用 UnityObjectToClipPos 宏（内部封装 MVP 矩阵乘法）将顶点坐标转换到裁剪空间：
hlsl
v2f vert (appdata v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 等效于 mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex))
return o;
}
[*]手动拆分计算（需处理实例化）：
hlsl
float4 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_VP, worldPos);
[*]UV采样与变形
[*]基础UV传递：通过 TEXCOORD0 语义传递UV坐标：
hlsl
struct v2f {
float2 uv : TEXCOORD0;
//...
};
o.uv = v.uv; // 直接传递
[*]动态UV偏移（如水流效果）：
hlsl
o.uv = v.uv + float2(0, _Time.y * _Speed); // 垂直滚动
[*]法线处理
[*]世界空间法线计算：使用 UnityObjectToWorldNormal 宏处理非统一缩放：
hlsl
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 自动处理逆转置矩阵
[*]法线贴图支持：传递切线空间基向量：
hlsl
o.tangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
o.bitangent = cross(o.normal, o.tangent) * v.tangent.w;
[*]切线处理
[*]切线空间转换：用于法线贴图采样：
hlsl
struct appdata {
float4 tangent : TANGENT; // 切线（w分量决定副切线方向）
};
v2f vert(appdata v) {
o.tangent = mul(unity_ObjectToWorld, float4(v.tangent.xyz, 0)).xyz;
}
[*]常用功能扩展
[*]顶点动画（如正弦波动画）：
hlsl
v.vertex.y += sin(_Time.y + v.vertex.x) * _Amplitude;
[*]GPU实例化支持：通过 UNITY_INSTANCING_BUFFER_START 宏传递实例数据。
[*]雾效坐标生成：使用 UNITY_TRANSFER_FOG 宏计算雾效混合因子
URP 顶点着色器 写法与内置管线的区别
Unity URP 顶点着色器的写法相较内置管线有多处关键差异，主要体现在宏函数、结构命名、Pass配置、文件包含和数据类型上。核心区别如下：
[*]坐标变换宏的使用：
内置管线使用 UnityObjectToClipPos（或旧版 mul(UNITY_MATRIX_VP, ...)）进行模型到裁剪空间转换；URP 中也支持此宏，但需通过 HLSLPROGRAM 声明并包含 URP 专属库文件（如 Core.hlsl）。
hlsl
// URP 顶点着色器示例
v2f vert (Attributes v) {
v2f o;
o.vertex = TransformObjectToHClip(v.positionOS); // URP 专用宏
return o;
}
[*]输入输出结构命名惯例：
内置管线常用 appdata（输入）和 v2f（输出）结构体3；URP 推荐改用 Attributes（输入）和 Varying（输出）作为命名约定，但非强制要求。
[*]Pass 标签与光照处理：
内置管线依赖多 Pass 处理光源（每个动态光源独立 Pass）；URP 通过单 Pass 前向渲染实现光源计算，Pass 标签需设为 "LightMode"="UniversalForward" 或省略（默认 "SRPDefaultUnlit"）。
[*]文件包含与编程块：
内置管线使用 CGPROGRAM/ENDCG 并包含 UnityCG.cginc；URP 必须改用 HLSLPROGRAM/ENDHLSL，并包含 URP 库文件（如 Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl），以避免宏冲突。
[*]数据类型限制：
内置管线支持 fixed 精度类型；URP 中需替换为 half（中等精度）。
[*]不支持的特性：
URP 完全弃用表面着色器（#pragma surface），仅支持顶点/片元着色器；同时不支持 GrabPass，需改用相机不透明纹理或自定义渲染命令实现类似效果
URP中语义解析的核心机制
[*]语义解析的底层类
[*]ShaderPass 与 ShaderCompiler：URP 通过 ShaderCompiler 解析 HLSL 代码中的语义（如 POSITION、NORMAL），并将其映射到 GPU 输入槽位。ShaderPass 负责将语义与渲染管线阶段绑定。
[*]InputLayoutBuilder：在 Unity 底层（如 InputLayoutBuilder 类）中，语义会被转换为 Direct3D/OpenGL 的顶点属性描述符，定义数据在 GPU 内存中的布局。
[*]自动识别机制
[*]系统值语义 SV_前缀
[*]SV_POSITION 等系统语义由 GPU 驱动直接识别，光栅化阶段自动读取其值进行屏幕映射和裁剪。
[*]例如，顶点着色器输出的 SV_POSITION 会被固定管线用于透视除法和视口变换，无需开发者干预。
[*]自定义语义 如 TEXCOORD0
[*]通过 VertexAttribute 特性或 HLSL 结构体声明，URP 在编译时自动关联插值器寄存器（如 TEXCOORD0 对应插值器 0）。
[*]光栅化阶段根据插值规则（如透视校正）生成片元数据，传递给片元着色器。
[*]管线阶段协同
[*]顶点着色器输出到片元着色器：
[*]语义标记的数据（如 TEXCOORD0）在几何阶段处理后，由光栅化器插值，最终被片元着色器通过相同语义名读取。
[*]平台适配：
[*]URP 的 ShaderLibrary 通过宏（如 UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID）处理跨平台语义差异，确保 Vulkan/Metal 等 API 兼容。
[*]调试与验证
[*]帧调试器Frame Debugger：可查看语义数据在管线各阶段的状态（如顶点着色器输出的裁剪空间坐标）。
[*]Shader 变体日志：通过 Shader Variant Log Level 检查语义是否被正确剥离或保留。
[*]URP 通过 ShaderCompiler 和底层图形 API 协作解析语义，系统值语义由硬件自动处理，自定义语义则通过插值器寄存器传递，最终实现数据在管线中的流动
常用语义
语义数据类型描述POSITIONfloat3/float4模型空间顶点坐标NORMALfloat3模型空间法线向量TANGENTfloat4模型空间切线向量（.w分量存储副切线方向标志）TEXCOORDnfloat2/float4顶点纹理坐标（n=0-7，如TEXCOORD0表示第一组UV）COLORfixed4/float4顶点颜色SV_VertexIDuint顶点IDSV_InstanceIDuint实例IDTEXCOORD常见用途
0: 主UV坐标
1: 光照贴图UV/次UV
2: 动态光照UV
3: 顶点动画数据
4: 烘焙数据/自定义数据
5: 地形混合权重
6: GPU实例化数据
7: 自定义用途
展示了URP顶点着色器中所有常用语义的使用方式
[*]包含了POSITION/NORMAL/TANGENT等基础语义
[*]演示了TEXCOORD0-7的典型用途分配
[*]使用了SV_VertexID和SV_InstanceID实现特殊效果
[*]包含了完整的URP着色器结构和必要的HLSL包含文件
[*]展示了顶点着色器到片段着色器的数据传递方式
[*]URPVertexShaderExample.shader
// HLSL
Shader "Custom/URPVertexShaderExample"
{
Properties
{
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
}
SubShader
{
Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
Pass
{
HLSLPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
struct Attributes
{
float4 positionOS : POSITION;
float3 normalOS : NORMAL;
float4 tangentOS : TANGENT;
float4 color : COLOR;
float2 uv0 : TEXCOORD0;
float2 uv1 : TEXCOORD1;
float2 uv2 : TEXCOORD2;
float3 uv3 : TEXCOORD3;
float4 uv4 : TEXCOORD4;
float2 uv5 : TEXCOORD5;
float4 uv6 : TEXCOORD6;
float2 uv7 : TEXCOORD7;
uint vertexID : SV_VertexID;
uint instanceID : SV_InstanceID;
};
struct Varyings
{
float4 positionCS : SV_POSITION;
float3 normalWS : TEXCOORD0;
float4 tangentWS : TEXCOORD1;
float4 color : TEXCOORD2;
float2 uv : TEXCOORD3;
float2 lightmapUV : TEXCOORD4;
float3 dynamicLight : TEXCOORD5;
float3 animData : TEXCOORD6;
float4 bakedData : TEXCOORD7;
};
TEXTURE2D(_MainTex);
SAMPLER(sampler_MainTex);
CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
float4 _MainTex_ST;
float4 _Color;
CBUFFER_END
Varyings vert(Attributes IN)
{
Varyings OUT;
// 使用所有输入语义
VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(IN.positionOS.xyz);
VertexNormalInputs normalInputs = GetVertexNormalInputs(IN.normalOS, IN.tangentOS);
OUT.positionCS = positionInputs.positionCS;
OUT.normalWS = normalInputs.normalWS;
OUT.tangentWS = float4(normalInputs.tangentWS, IN.tangentOS.w);
OUT.color = IN.color * _Color;
// 处理各种UV用途
OUT.uv = TRANSFORM_TEX(IN.uv0, _MainTex);// 主UV
OUT.lightmapUV = IN.uv1; // 光照贴图UV
OUT.dynamicLight = float3(IN.uv2, 0); // 动态光照数据
OUT.animData = IN.uv3; // 顶点动画数据
OUT.bakedData = IN.uv4; // 烘焙数据
// 使用顶点ID和实例ID进行特殊处理
if (IN.vertexID % 2 == 0) {
OUT.color.rgb *= 0.9;
}
if (IN.instanceID > 0) {
OUT.positionCS.y += sin(_Time.y * 2.0 + IN.instanceID) * 0.1;
}
return OUT;
}
half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
{
half4 col = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, IN.uv) * IN.color;
return col;
}
ENDHLSL
}
}
}
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
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