【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
  1. using UnityEngine;
  2. using UnityEngine.Rendering;
  3. using UnityEngine.Rendering.Universal;
  5. public class CustomPostProcessPass : ScriptableRenderPass
  6. {
  7.     private Material m_Material;
  8.     private RenderTargetHandle m_TemporaryColorTexture;
  9.     private RenderTargetHandle m_CameraColorTexture;
  10.    
  11.     public CustomPostProcessPass(Material material)
  12.     {
  13.         m_Material = material;
  14.         m_TemporaryColorTexture.Init("_TemporaryColorTexture");
  15.     }
  17.     public override void Configure(CommandBuffer cmd, RenderTextureDescriptor cameraTextureDescriptor)
  18.     {
  19.         cmd.GetTemporaryRT(m_TemporaryColorTexture.id, cameraTextureDescriptor);
  20.     }
  22.     public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
  23.     {
  24.         CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get("Custom Post Processing");
  25.         
  26.         // 双缓冲交换
  27.         Blit(cmd, m_CameraColorTexture.Identifier(),
  28.             m_TemporaryColorTexture.Identifier(), m_Material);
  29.         Blit(cmd, m_TemporaryColorTexture.Identifier(),
  30.             m_CameraColorTexture.Identifier());
  31.             
  32.         context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
  33.         CommandBufferPool.Release(cmd);
  34.     }
  36.     public override void FrameCleanup(CommandBuffer cmd)
  37.     {
  38.         cmd.ReleaseTemporaryRT(m_TemporaryColorTexture.id);
  39.     }
  40. }

  复制代码

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
  1. using UnityEngine;
  2. using UnityEngine.Rendering;
  3. using UnityEngine.Rendering.Universal;
  5. public class CustomBufferSystem
  6. {
  7.     private RenderTargetHandle[] m_Buffers = new RenderTargetHandle[2];
  8.     private int m_CurrentBufferIndex = 0;
  9.    
  10.     public void Initialize(string name)
  11.     {
  12.         m_Buffers[0].Init(name + "_Buffer0");
  13.         m_Buffers[1].Init(name + "_Buffer1");
  14.     }
  16.     public RenderTargetHandle GetCurrentBuffer()
  17.     {
  18.         return m_Buffers[m_CurrentBufferIndex];
  19.     }
  21.     public RenderTargetHandle GetNextBuffer()
  22.     {
  23.         return m_Buffers[(m_CurrentBufferIndex + 1) % 2];
  24.     }
  26.     public void Swap()
  27.     {
  28.         m_CurrentBufferIndex = (m_CurrentBufferIndex + 1) % 2;
  29.     }
  31.     public void Dispose(CommandBuffer cmd)
  32.     {
  33.         cmd.ReleaseTemporaryRT(m_Buffers[0].id);
  34.         cmd.ReleaseTemporaryRT(m_Buffers[1].id);
  35.     }
  36. }

  复制代码

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
  1. using UnityEngine;
  2. using UnityEngine.Rendering;
  3. using UnityEngine.Rendering.Universal;
  5. public class MultiCameraRenderer : MonoBehaviour
  6. {
  7.     public Camera[] cameras;
  8.     private RenderTexture[] buffers = new RenderTexture[2];
  9.     private int currentBufferIndex = 0;
  10.    
  11.     void Start()
  12.     {
  13.         buffers[0] = new RenderTexture(Screen.width, Screen.height, 24);
  14.         buffers[1] = new RenderTexture(Screen.width, Screen.height, 24);
  15.     }
  17.     void Update()
  18.     {
  19.         var renderer = (UniversalRenderPipelineAsset)GraphicsSettings.currentRenderPipeline;
  20.         
  21.         // 渲染到后台缓冲区
  22.         int nextBufferIndex = (currentBufferIndex + 1) % 2;
  23.         cameras[0].targetTexture = buffers[nextBufferIndex];
  24.         
  25.         // 交换缓冲区
  26.         currentBufferIndex = nextBufferIndex;
  27.         
  28.         // 显示当前缓冲区
  29.         Graphics.Blit(buffers[currentBufferIndex], null as RenderTexture);
  30.     }
  31. }

  复制代码

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

（欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，
来源：程序园用户自行投稿发布，如果侵权，请联系站长删除
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！