高清晰渲染管线：专注视觉质量

在《可编程脚本渲染管线SRP》中，我们介绍了可编程脚本渲染管线SRP（Scriptable Render Pipeline）。在Unity 2018.1中，我们已为用户提供了二个渲染管线：轻量级管线Light Weight Pipeline和高清晰渲染管线High Definition Pipeline。在本文中，我们将聚焦高清晰渲染管线或HD RP。

可编程脚本渲染管线SRP项目，Github地址：

https://github.com/Unity-Technologies/ScriptableRenderPipeline

HD RP介绍

HD RP旨在为开发人员提供实现高清晰视觉效果渲染的工具。它的设计遵循以下三个原则：

• 基于物理的渲染

• 统一且一致连贯的光照

• 独立于渲染路径的特征

基于物理的渲染依赖三大要素：光照、材质和摄像机。光照和材质的效果依赖于物理的相互作用，它们之间应有明确的解耦，能在各种光照条件下获得一致的效果。摄像机决定光照会怎样在屏幕上显示出来。渲染的目标是让艺术家更轻松地实现近乎真实的效果。

统一光照意味着场景中所有对象和参与介质都会得到相同的光照。对象的不透明度、透明度或体积材质不应有任何区别。一个材质必须与任意光照产生正常交互，不管该光照的光源是什么，例如反射探头、区域光等。甚至当被贴花修改时，交互也要正常发生。这样才能得到更为一致的外观效果。

在实时渲染中，有很多渲染通道：延迟/正向、单程/多程、平铺/集群等。在游戏开发中，所选取的渲染路径经常会限制可使用的图形功能。对于HD RP，我们尝试在不同渲染路径下增加相同的一组图形功能。这样的结果是，在选择渲染路径时只需要考虑性能，而不必考虑游戏需要哪些功能。

在HD RP的开发过程中，我们尽可能紧密地遵循这一原则。

HD RP的用途

HD RP针对高端PC和主机开发，可以提供惊艳的高清晰视觉效果。我们希望让小型团队也能使用AAA级图形功能。HD RP运行环境至少需要DX11级别的功能集，并大量使用计算着色器（Compute Shader）。但这样一来，HD RP就不会在功能较弱的平台上运行。HD RP支持的目标API是D3D11、D3D12、GNM（PlayStation 4）、Metal和Vulkan。我们也计划增加对VR支持，但还没在当前可用的预览版中实现。

HD RP具有一套全新的功能和行为，需要再学习和二次开发。我们提供了一个转换工具来将项目从Unity内置模式转为HD RP，但这只会帮助你快速重新设置材质和纹理。所有的光照、后期处理效果、场景设置、图形设置和自定义着色器都需要重做。

Viking Village项目升级示例

最后，HD RP目前仍在预览阶段，这意味它还不适合用于正式创作流程。

光照改进

HD RP拥有一个全新的光照架构：它使用混合延迟/正向-平铺/集群渲染器。这意味着，在场景中有大量光照时，它比Unity内置渲染效果更好。这种新型光照架构更为注重性能。

在调试模式下可视化平铺光照列表

此外，HD RP还有大量额外的光照属性以及一个全新的光照编辑器。它可以淡化光照，仅影响漫反射光或镜面反射光，或是使用色温来设置光的颜色。聚光灯现在可以控制内部角度，而且可以拥有不同的形状，例如：椎体、立方体或金字塔体。HD RP还支持Colored cookies。

HD RP允许使用实时区域光，当前无阴影或烘焙。例如：柱形光。

最后，光线遵循物理学平方反比衰减，使用的是物理光的单位。光照的控制完全是线性的，去除了Unity内置“Gamma mode”。太阳光强度使用的单位是勒克斯（lux），而点光源和聚光灯所用的单位是流明（Lumen）。

在处理基于图像的光照方面，反射探头在HD RP中得到了更大提升。现在可以使用定向边界方框或球体形状，代理形状（近似场景几何的区域）和影响形状（像素受影响的区域）是分离的，而且加入了很多影响衰减选项（基于法线方向分平面等）。

材质渲染

HD RP有自带的标准着色器，名为受光着色器（Lit Shader）。Lit Shader有不少不错的功能，可以使用比Unity内置渲染中更为丰富的材质。双面选项也可以使用，会自动连接全局照明，加入了很多映射选项，例如单平面和三平面映射。诸如视差遮罩映射或曲面细分等高级功能也已经支持，只需一键便可使用！

不过，加到材质渲染的功能中，最强大的则是其光照模型。

HD RP使用以下BRDF（双向反射分布函数）：对镜面反射层使用各向同性多重散射GGX，对漫反射层使用Disney漫反射功能。HD RP与内置Unity在这方面的区别则在于多重散射部分。

金色金属球从平滑（左）到粗糙（右）：

各向同性单散射GGX（类似Unity内置功能）

HDRP的各向同性多重散射GGX意味着更为粗糙的材质颜色不会更暗，而会更饱和。

默认参数为金属/光滑（Metallic/Smoothness），但也可以在同一着色器中切换为镜面色/光滑（SpecularColor/Smoothness）。

HD RP能增强或替换这个初始模型。它有大量选项可以使用：

• 用各向异性GGX替换各向同性GGX

• 增加次表面散射到Disney漫反射中

• 加入透射效果

• 加入彩虹效果

• 加入清漆层GGX

通过调整光照模型能让我们实现多种复杂的外观。

通过透射和次表面散射实现的蘑菇画面

HD RP也能对透明材质使用一组全新选项。例如：通过先背面再前面渲染来帮助排序，用深度后期通道来对景深效果实现透明或其它功能。

使用双面透明渲染先背面再前面，渲染实现的彩虹效果示例

基于受光着色器（Lit Shader），HD RP提供了一个分层受光着色器（Layered Lit shader），能够混合多个受光着色器。

HD RP还加入了对贴花的支持。贴花在不透明和透明材质都可以使用，可以正确影响全局光照光照贴图或光照探头的采样。

使用贴花在地板上绘制的粉笔画示例

调试

HD RP中加入的最重要功能是调试工具。调试功能对理解数据创作和性能问题极其重要。

HD RP带有一个全新的自定义调试窗口，能控制调试视图模式和渲染管线设置。这个调试窗口既可以在Unity编辑器中使用，也可以在任意播放器中使用。它现在可以在PlayStation 4等任意目标设备上拥有所有调试功能。

 在Unity编辑器中的调试窗口示例，展示了通用属性

调试窗口允许显示透明材质和不透明材质的任意材质属性，无论它们使用的是延迟渲染路径还是正向渲染路径。

它允许光照调试视图：仅适用漫反射光或仅适用镜面反射光模式。它还能为整个场景修改属性，例如：法线、反射率、光滑度。它也能显示例如动态向量和深度缓冲区的中间渲染目标。它可以根据属性突出对象，例如：突出显示使用光照贴图或曲面细分的对象，还带有NaN检查器等。

 播放器中的调试窗口示例，带有漫反射光模式，并改写了反射率

它还有一个有意思的模式－颜色选择器模式，用于在应用后期处理功能前读取当前屏幕上的数值或HDR值。调试窗口可以被轻松扩展以支持游戏所需要的任意调试工具，例如：AI或动画调试工具。

新的行为

HD RP具有与 Unity内置的渲染管线完全不同的新行为。

延迟和渲染路径支持的功能是一样的。次表面散射、屏幕空间环境遮罩和贴花的处理功能在二种渲染路径中是一样的。没有必要为使用特定功能选择特定渲染路径。

HD RP使用摄像机相关渲染。这意味着即使远离世界的原点，也可以有不错的渲染精度。这对所有使用HD RP的着色器都有影响。摄像机可以控制所使用的光照架构，可以在同一场景混合使用延迟渲染路径和正向渲染路径，也可以控制为这次渲染使用哪些功能。它还可以禁用烟雾、阴影和后期处理等效果。

为了调整场景设置，还加入了一个基于体积设置的全新系统，它类似当前后期处理效果中的设置。现在可以对每个体积设定场景设置，例如：天空、阳光级联阴影、屏幕空间阴影接触等。还可以通过插入参数在体积间获得平滑的过渡效果。

对于天空和烟雾还增加了新选项，例如：基于高度的烟雾效果或是用天空颜色着色的雾。烟雾会影响透明材质和不透明材质。

最后，HD RP使用一个专用渲染目标分配系统。它能避免在调整屏幕大小时反复重新分配目标。从而避免了在处理动态分辨率时，产生额外的渲染目标分配。

局限

我们仍在开发HD RP，所以它的一些功能还在制作中。HD RP将在 Unity 2018.1作为预览版发布，目前还不适合用来进行正式的创作。

其中一个重要局限是，HD RP还不支持使用Unity粒子系统制作的Lit Particle，只支持Unlit Particle。此外，内置地形系统还存在一些瑕疵。对于所有SRP，之前在Overlay图层渲染的任何对象，例如：镜头光斑特效，都不支持。Grabpass功能也已经不存在了。

未来的开发计划

我们目前专注于增强稳定性和平台支持。但仍会推出一些炫丽的功能，例如：体积光照。

区域光将基于Unity Labs团队的研究进行改进。为了得到更为一致的光照和后期处理效果，基于物理的摄像机是下一步要开发的内容。我们还有多个正在制作的角色渲染工具原型。

《Windup》项目中的小女孩角色渲染

结语

HD RP为Unity带来了全新的渲染管线，能够将当下游戏的视效水准提到尽可能的高。但它也有缺点，那就是其学习曲线，因为HD RP和当前内置的渲染管线有显著的区别。

使用HD RP和复杂材质制作的风格化游戏环境示例

所有这些功能都有一定的复杂性。统一光照和一致光照本身就很难实现，所以拥有强大的调试工具非常重要。对于摄像机相关渲染的使用则需要更多考量。你也可以为HD RP编写自定义着色器，但这需要更多的额外知识。

你也可以在GitHub上跟踪HD RP的开发进展。如果你有任何问题，欢迎访问SRP在 Github上的频道或者在Unity 官方中文论坛(Unitychina.cn)反馈给我们。

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