Unity3D 图形渲染(Graphics & Rendering)详解

游戏程序猿IP属地: 香港
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Unity3D 是一款广泛使用的游戏引擎,其图形渲染系统是开发者创建高质量视觉效果的核心。本文将深入探讨 Unity3D 的图形渲染管线、渲染技术、以及如何通过代码实现自定义渲染效果。

对惹,这里有一个游戏开发交流小组,大家可以点击进来一起交流一下开发经验呀!

1. Unity3D 渲染管线概述

Unity3D 的渲染管线负责将 3D 场景转换为 2D 图像,最终显示在屏幕上。Unity 支持多种渲染管线,包括:

内置渲染管线(Built-in Render Pipeline):Unity 默认的渲染管线,适用于大多数项目。

通用渲染管线(Universal Render Pipeline, URP):适用于移动端、VR 和 2D 项目的轻量级渲染管线。

高清渲染管线(High Definition Render Pipeline, HDRP):适用于高端 PC 和主机的高质量渲染管线。

1.1 渲染管线的主要阶段

几何处理(Geometry Processing)

顶点着色器(Vertex Shader):处理顶点数据,如位置、法线、纹理坐标等。

曲面细分(Tessellation):可选阶段,用于增加几何细节。

几何着色器(Geometry Shader):可选阶段,用于生成新的几何图元。

光栅化(Rasterization)

将几何图元转换为像素片段(Fragments)。

深度测试(Depth Test)和模板测试(Stencil Test)在此阶段进行。

像素处理(Pixel Processing)

片段着色器(Fragment Shader):计算每个像素的颜色。

透明度处理(Alpha Blending):处理透明物体的渲染。

后处理(Post-Processing)

对渲染结果进行后期处理,如模糊、色彩校正等。

2. Unity3D 中的渲染技术

2.1 材质与着色器

材质(Material)是 Unity 中用于定义物体表面外观的资源,它依赖于着色器(Shader)来定义如何渲染物体。Unity 支持多种着色器语言,包括:

ShaderLab:Unity 自带的着色器语言,用于编写表面着色器(Surface Shader)。

HLSL:用于编写顶点和片段着色器。

2.1.1 编写自定义着色器

以下是一个简单的 HLSL 着色器示例,用于实现基本的漫反射光照:

Shader "Custom/DiffuseShader"

{

    Properties

    {

        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}

        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)

    }

    SubShader

    {

        Tags { "RenderType"="Opaque" }

        LOD 200

        Pass

        {

            CGPROGRAM

            #pragma vertex vert

            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata

            {

                float4 vertex : POSITION;

                float2 uv : TEXCOORD0;

                float3 normal : NORMAL;

            };

            struct v2f

            {

                float2 uv : TEXCOORD0;

                float4 pos : SV_POSITION;

                float3 worldNormal : NORMAL;

            };

            sampler2D _MainTex;

            float4 _Color;

            v2f vert (appdata v)

            {

                v2f o;

                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                o.uv = v.uv;

                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

                return o;

            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target

            {

                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                float3 normal = normalize(i.worldNormal);

                float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);

                float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);

                return texColor * _Color * diff;

            }

            ENDCG

        }

    }

}

2.2 光照与阴影

Unity 支持多种光照模型,包括:

Lambert 漫反射:基本的漫反射光照模型。

Blinn-Phong 高光反射:包含高光反射的光照模型。

PBR(Physically Based Rendering):基于物理的渲染模型,适用于现代游戏。

2.2.1 实现阴影

Unity 使用阴影映射(Shadow Mapping)技术来实现阴影效果。以下代码展示了如何在自定义着色器中接收阴影:

v2f vert (appdata v)

{

    v2f o;

    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

    o.uv = v.uv;

    o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

    o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

    TRANSFER_SHADOW(o); // 传递阴影数据

    return o;

}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target

{

    float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

    float3 normal = normalize(i.worldNormal);

    float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);

    float4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);

    float shadow = SHADOW_ATTENUATION(i); // 计算阴影衰减

    return texColor * _Color * diff * shadow;

}

2.3 后处理效果

后处理效果可以通过 Unity 的 OnRenderImage 方法实现。以下代码展示了如何实现一个简单的灰度效果:

using UnityEngine;

[ExecuteInEditMode]

public class GrayscaleEffect : MonoBehaviour

{

    public Material grayscaleMaterial;

    void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)

    {

        if (grayscaleMaterial != null)

        {

            Graphics.Blit(src, dest, grayscaleMaterial);

        }

        else

        {

            Graphics.Blit(src, dest);

        }

    }

}

对应的着色器代码如下:

Shader "Custom/Grayscale"

{

    Properties

    {

        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}

    }

    SubShader

    {

        Tags { "RenderType"="Opaque" }

        LOD 200

        Pass

        {

            CGPROGRAM

            #pragma vertex vert

            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata

            {

                float4 vertex : POSITION;

                float2 uv : TEXCOORD0;

            };

            struct v2f

            {

                float2 uv : TEXCOORD0;

                float4 pos : SV_POSITION;

            };

            sampler2D _MainTex;

            v2f vert (appdata v)

            {

                v2f o;

                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                o.uv = v.uv;

                return o;

            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target

            {

                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

                float gray = dot(col.rgb, float3(0.299, 0.587, 0.114));

                return fixed4(gray, gray, gray, col.a);

            }

            ENDCG

        }

    }

}

3. 总结

Unity3D 的图形渲染系统提供了强大的工具和技术,帮助开发者实现各种视觉效果。通过理解渲染管线、编写自定义着色器、实现光照与阴影、以及应用后处理效果,开发者可以创建出高质量的游戏画面。本文提供的代码示例可以作为起点,帮助开发者进一步探索 Unity3D 的图形渲染功能。

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