【渲染流水线】[输出阶段]-[双缓冲机制]以UnityURP为例
[*]最终将处理结果写入颜色/深度/模板缓冲区
[*]可独立控制各通道写入权限
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
双缓冲机制介绍
双缓冲(Double Buffer)是一种图形渲染中的常用技术，通过使用两个缓冲区(前台缓冲区和后台缓冲区)来解决图形渲染过程中的闪烁和撕裂问题。在Unity URP中，双缓冲机制主要用于管理渲染目标，确保渲染过程的平滑进行。
双缓冲的核心原理是：一个缓冲区用于当前显示的帧(前台缓冲区)，另一个缓冲区用于绘制新帧(后台缓冲区)。当后台缓冲区完成绘制后，系统会执行交换操作，将两个缓冲区瞬时交换。现代GPU通常使用三重缓冲等多缓冲技术来进一步优化性能。
历史发展流程
双缓冲技术最早应用于图形显示领域，用于解决屏幕刷新和图形绘制之间的同步问题。在Unity引擎中，双缓冲机制随着渲染管线的演进不断优化：
[*]内置渲染管线时期：Unity早期版本使用内置渲染管线，双缓冲主要通过命令缓冲区(CommandBuffer)实现，开发者可以手动管理渲染目标的切换。
[*]可编程渲染管线(SRP)引入：Unity 2018版本引入可编程渲染管线概念，为双缓冲提供了更灵活的接口。
[*]URP成熟期：在URP(Universal Render Pipeline)中，双缓冲机制被系统化封装，形成了SwapBufferSystem等高级抽象，优化了后处理流程。
内置管线与URP中的双缓冲变量
内置管线中的双缓冲变量
在内置渲染管线中，双缓冲主要通过以下变量和机制实现：
[*]CommandBuffer：存储一系列渲染指令的容器，可用于设置渲染目标
[*]RenderTexture：临时渲染纹理，常被用作后台缓冲区
[*]BuiltinRenderTextureType：内置纹理类型，包括CurrentActive和CameraTarget等
URP中的双缓冲变量
URP对双缓冲机制进行了更高级的封装，主要涉及以下变量和类：
[*]SwapBufferSystem：URP中的双缓冲系统实现，包含m_A和m_B两个SwapBuffer结构体
[*]RenderTargetHandle：URP中表示渲染目标的句柄
[*]ScriptableRenderPass：渲染通道基类，包含设置渲染目标的接口
[*]UniversalRenderer：URP默认渲染器，管理双缓冲的初始化和交换
底层原理解析
底层实现核心类与变量
在Unity URP中，双缓冲机制主要通过SwapBufferSystem类实现，该类包含两个关键变量m_A和m_B，分别代表前后缓冲区。具体实现位于UniversalRenderer类中，作为渲染目标管理系统的核心组件。
主要实现细节
[*]SwapBuffer结构体：包含name(缓冲区名称)和rt(RenderTexture)两个字段
[*]SwapBufferSystem类：管理两个SwapBuffer实例的交换逻辑
[*]UniversalRenderer类：初始化并控制双缓冲系统的生命周期
缓冲区创建
[*]在UniversalRenderer的Setup方法中创建两个渲染目标，这些目标实际上是纹理支持的帧缓冲。
描述符控制
[*]通过cameraTargetDescriptor参数描述渲染目标的内存分配方式，可以在AddRenderPasses阶段修改这些参数来"劫持"渲染目标。
交换机制
[*]URP使用SwapBufferSystem维护两个渲染目标缓冲区(m_A和m_B)，在渲染过程中交替使用，避免中间环节的重复拷贝。
同步控制
[*]双缓冲与VSync信号配合工作，确保缓冲区交换与屏幕刷新同步，防止画面撕裂.
双缓冲机制URP示例
后处理效果双缓冲实现
[*]PostProcessFeature.cs
后处理效果中如何使用临时渲染目标实现双缓冲交换，避免直接修改原始帧缓冲导致的问题
using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class CustomPostProcessPass : ScriptableRenderPass
{
private Material m_Material;
private RenderTargetHandle m_TemporaryColorTexture;
private RenderTargetHandle m_CameraColorTexture;
public CustomPostProcessPass(Material material)
{
m_Material = material;
m_TemporaryColorTexture.Init("_TemporaryColorTexture");
}
public override void Configure(CommandBuffer cmd, RenderTextureDescriptor cameraTextureDescriptor)
{
cmd.GetTemporaryRT(m_TemporaryColorTexture.id, cameraTextureDescriptor);
}
public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
{
CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get("Custom Post Processing");
// 双缓冲交换
Blit(cmd, m_CameraColorTexture.Identifier(),
m_TemporaryColorTexture.Identifier(), m_Material);
Blit(cmd, m_TemporaryColorTexture.Identifier(),
m_CameraColorTexture.Identifier());
context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
CommandBufferPool.Release(cmd);
}
public override void FrameCleanup(CommandBuffer cmd)
{
cmd.ReleaseTemporaryRT(m_TemporaryColorTexture.id);
}
}
自定义渲染目标双缓冲系统
[*]CustomBufferSystem.cs
实现了一个简单的双缓冲系统示例，可用于需要多帧数据累积的效果如运动模糊
using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class CustomBufferSystem
{
private RenderTargetHandle[] m_Buffers = new RenderTargetHandle;
private int m_CurrentBufferIndex = 0;
public void Initialize(string name)
{
m_Buffers.Init(name + "_Buffer0");
m_Buffers.Init(name + "_Buffer1");
}
public RenderTargetHandle GetCurrentBuffer()
{
return m_Buffers;
}
public RenderTargetHandle GetNextBuffer()
{
return m_Buffers[(m_CurrentBufferIndex + 1) % 2];
}
public void Swap()
{
m_CurrentBufferIndex = (m_CurrentBufferIndex + 1) % 2;
}
public void Dispose(CommandBuffer cmd)
{
cmd.ReleaseTemporaryRT(m_Buffers.id);
cmd.ReleaseTemporaryRT(m_Buffers.id);
}
}
URP多相机渲染双缓冲同步
[*]MultiCameraRenderer.cs
多相机渲染场景中如何使用双缓冲机制实现平滑的相机切换效果
using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class MultiCameraRenderer : MonoBehaviour
{
public Camera[] cameras;
private RenderTexture[] buffers = new RenderTexture;
private int currentBufferIndex = 0;
void Start()
{
buffers = new RenderTexture(Screen.width, Screen.height, 24);
buffers = new RenderTexture(Screen.width, Screen.height, 24);
}
void Update()
{
var renderer = (UniversalRenderPipelineAsset)GraphicsSettings.currentRenderPipeline;
// 渲染到后台缓冲区
int nextBufferIndex = (currentBufferIndex + 1) % 2;
cameras.targetTexture = buffers;
// 交换缓冲区
currentBufferIndex = nextBufferIndex;
// 显示当前缓冲区
Graphics.Blit(buffers, null as RenderTexture);
}
}
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