【渲染流水线】[几何阶段]-[顶点着色]以UnityURP为例

马璞玉 · 2025-8-12 14:58:09

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 [0,1]，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：
[x'] = [ (2n)/(r-l) 0 (r+l)/(r-l) 0 ] [x]
[y'] = [ 0 (2n)/(t-b) (t+b)/(t-b) 0 ] [y]
[y'] = [ 0 (2n)/(t-b) (t+b)/(t-b) 0 ] [y]
[w'] = [ 0 0 -1 0 ] [w]
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
1. // URP 顶点着色器片段
2. v2f vert (Attributes v) {
3. v2f o;
4. // M 转换：模型 → 世界
5. float3 worldPos = TransformObjectToWorld(v.positionOS);
6. // V 转换：世界 → 观察
7. float3 viewPos = TransformWorldToView(worldPos);
8. // P 转换：观察 → 裁剪
9. o.positionCS = TransformWViewToHClip(viewPos);
10. return o;
11. }
复制代码

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：
  1. hlsl
  2. v2f vert (appdata v) {
  3. v2f o;
  4. o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 等效于 mul(UNITY_MATRIX_VP, mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex))
  5. return o;
  6. }
  复制代码
- ‌手动拆分计算‌（需处理实例化）：
  1. hlsl
  2. float4 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
  3. o.pos = mul(UNITY_MATRIX_VP, worldPos);
  复制代码
UV采样与变形‌
- ‌基础UV传递‌：通过 TEXCOORD0 语义传递UV坐标：
  1. hlsl
  2. struct v2f {
  3. float2 uv : TEXCOORD0;
  4. //...
  5. };
  6. o.uv = v.uv; // 直接传递
  复制代码
- ‌动态UV偏移‌（如水流效果）：
  1. hlsl
  2. o.uv = v.uv + float2(0, _Time.y * _Speed); // 垂直滚动
  复制代码
法线处理‌
- ‌世界空间法线计算‌：使用 UnityObjectToWorldNormal 宏处理非统一缩放：
  1. hlsl
  2. o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 自动处理逆转置矩阵
  复制代码
- ‌法线贴图支持‌：传递切线空间基向量：
  1. hlsl
  2. o.tangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
  3. o.bitangent = cross(o.normal, o.tangent) * v.tangent.w;
  复制代码
切线处理‌
- ‌切线空间转换‌：用于法线贴图采样：
  1. hlsl
  2. struct appdata {
  3. float4 tangent : TANGENT; // 切线（w分量决定副切线方向）
  4. };
  5. v2f vert(appdata v) {
  6. o.tangent = mul(unity_ObjectToWorld, float4(v.tangent.xyz, 0)).xyz;
  7. }
  复制代码
‌常用功能扩展‌
- ‌顶点动画‌（如正弦波动画）：
  1. hlsl
  2. v.vertex.y += sin(_Time.y + v.vertex.x) * _Amplitude;
  复制代码
‌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）。
1. hlsl
2. // URP 顶点着色器示例
3. v2f vert (Attributes v) {
4. v2f o;
5. o.vertex = TransformObjectToHClip(v.positionOS); // URP 专用宏
6. return o;
7. }
复制代码
‌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
1. // HLSL
2. Shader "Custom/URPVertexShaderExample"
3. {
4. Properties
5. {
6. _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
7. _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
8. }
10. SubShader
11. {
12. Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
14. Pass
15. {
16. HLSLPROGRAM
17. #pragma vertex vert
18. #pragma fragment frag
20. #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
22. struct Attributes
23. {
24. float4 positionOS : POSITION;
25. float3 normalOS : NORMAL;
26. float4 tangentOS : TANGENT;
27. float4 color : COLOR;
28. float2 uv0 : TEXCOORD0;
29. float2 uv1 : TEXCOORD1;
30. float2 uv2 : TEXCOORD2;
31. float3 uv3 : TEXCOORD3;
32. float4 uv4 : TEXCOORD4;
33. float2 uv5 : TEXCOORD5;
34. float4 uv6 : TEXCOORD6;
35. float2 uv7 : TEXCOORD7;
36. uint vertexID : SV_VertexID;
37. uint instanceID : SV_InstanceID;
38. };
40. struct Varyings
41. {
42. float4 positionCS : SV_POSITION;
43. float3 normalWS : TEXCOORD0;
44. float4 tangentWS : TEXCOORD1;
45. float4 color : TEXCOORD2;
46. float2 uv : TEXCOORD3;
47. float2 lightmapUV : TEXCOORD4;
48. float3 dynamicLight : TEXCOORD5;
49. float3 animData : TEXCOORD6;
50. float4 bakedData : TEXCOORD7;
51. };
53. TEXTURE2D(_MainTex);
54. SAMPLER(sampler_MainTex);
55. CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
56. float4 _MainTex_ST;
57. float4 _Color;
58. CBUFFER_END
60. Varyings vert(Attributes IN)
61. {
62. Varyings OUT;
64. // 使用所有输入语义
65. VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(IN.positionOS.xyz);
66. VertexNormalInputs normalInputs = GetVertexNormalInputs(IN.normalOS, IN.tangentOS);
68. OUT.positionCS = positionInputs.positionCS;
69. OUT.normalWS = normalInputs.normalWS;
70. OUT.tangentWS = float4(normalInputs.tangentWS, IN.tangentOS.w);
71. OUT.color = IN.color * _Color;
73. // 处理各种UV用途
74. OUT.uv = TRANSFORM_TEX(IN.uv0, _MainTex); // 主UV
75. OUT.lightmapUV = IN.uv1; // 光照贴图UV
76. OUT.dynamicLight = float3(IN.uv2, 0); // 动态光照数据
77. OUT.animData = IN.uv3; // 顶点动画数据
78. OUT.bakedData = IN.uv4; // 烘焙数据
80. // 使用顶点ID和实例ID进行特殊处理
81. if (IN.vertexID % 2 == 0) {
82. OUT.color.rgb *= 0.9;
83. }
85. if (IN.instanceID > 0) {
86. OUT.positionCS.y += sin(_Time.y * 2.0 + IN.instanceID) * 0.1;
87. }
89. return OUT;
90. }
92. half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
93. {
94. half4 col = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, IN.uv) * IN.color;
95. return col;
96. }
97. ENDHLSL
98. }
99. }
100. }
复制代码

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

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