Deferred Rendering Path

1. Unity Render Pipelines

1.1 Unity 渲染管线的流程

渲染管线是引擎的渲染步骤，也就是游戏引擎把游戏对象转化为图像显示到屏幕上的步骤。

一个渲染管线大致可以分为下列几个步骤：

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剔除：包括视锥剔除和遮挡剔除（这里的遮挡剔除是指如果物体被另一个物体遮挡就直接剔除，但是通常是固定场景的遮挡进行这种剔除，比如进入房间之后遮挡其他房间，可参考OcclusionCulling。
渲染：绘制物体和它们的光照到相应的像素缓冲（pixel buffer）上。
后处理：修改像素缓冲为最后的输出结果。这一步可以做出一些效果，比如 bloom、景深等。

有时候会把它和图形管线混淆，实际上 Graphics Pipeline 是指下面这个图（来自Vulkan）：

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它是 GPU 中绘制图像的流程，首先变换顶点，然后光栅化，再进行片元着色。它实际上仅仅对应渲染管线中用到的一个功能，也就是 Rendering 这个步骤中的着色。如果你学习图形学知识，主要深入的是图形管线的编写。而 Unity 中我们不仅仅需要关注图形管线，还需要了解整个渲染管线。

1.2 URP / HDRP / Built-in

官方有提供三种渲染管线：

URP：属于可编程渲染管线（SRP，Scriptable Render Pipelines），适配不同平台的可扩展的图形。
HDRP：SRP，前沿的高保真的显示效果，通常用于高端设备。
Built-in：通用渲染管线，定制化程度相比 SRP 比较低。

SRP 允许你通过编写 C# 代码来定制上面提到的剔除、渲染和后处理三个步骤，（Built-In 也可以定制修改不过你需要先获得源代码）。除了 URP 和 HDRP，你还可以编写自己的 SRP。

Built-in 是旧版的渲染管线，现在完全不需要去考虑这个，只有一些过去的项目开发者会选择这个。如果现在去学习一些教程，一些2022年以前写的书籍通常会使用这个，而新版的教程视频通常都是采用 URP。

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1.3 Render Target 和 MRT

渲染目标就是渲染结果输出的目标，可以理解为是一块画布，能够往上面写入任何东西。

渲染目标可以是多个，例如在前向渲染中，最基本的有3个，颜色（RGBA 4通道）、深度、模板（Stencil），当然深度和模板通常都不是4通道的，所以有可能会合并在一张画布上。

在正向渲染中通常只需要 2 个RT，颜色加 Depth，其中深度是可以配置精度的，比如24位或者32位，以及是否混合 Stencil。

GPU是可以同时输出多张 Render Target 的，这个特性在图形 API 里叫做 MRT（Multiple Render Targets，多渲染目标）。

在延迟渲染中，GBuffer同时输出了多个 RT。

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在一次几何遍历中输出了不同的信息用于后续的渲染，例如：

RT0: 漫反射颜色 (Diffuse Color)
RT1: 法线 (Normal) 等
RT2: 镜面反射参数 (Specular, Roughness)
RT4: 自定义数据，比如材质ID等

这就是延迟渲染 (Deferred Rendering) 使用 MRT 的原因，如果没有这个特性，需要写几个 Pass，每次 Pass 遍历只是为了获取一张 RT，那样效率就低了。

2. Render Path

中文可以叫做渲染路径。

渲染路径是指绘制和照亮相机能看到的游戏对象的系列操作。不同的渲染路径具有不同的功能和性能特点。如果说渲染管线是做饭的一套流程，那么渲染路径可以理解为是放调味品的顺序和时机。比如计算光照的时机到底是在全局深度测试之前，还是全局深度测试之后等。

Unity支持两种方式：前向渲染（Forward）和延迟渲染（Deferred）以及它们的改进形式。

这里推荐阅读：毛星云关于延迟渲染的总结¹。

因为 URP 可以同时运行在各种平台上，包括手机，所以通常都是采用 URP 这个管线来开发 Unity 游戏。所以这里不对 HDRP 进行介绍，HDRP 有更多高级功能，支持光线追踪，如果想了解可以去查阅文档。

2.1 Forward Path

正向渲染是一种传统的图形渲染管线方式。在这种模式下，每个物体都会依次经过顶点着色、光栅化、片元着色等阶段，并且在片元着色器（Fragment Shader）中会直接计算光照和材质效果。

正向渲染在处理物体的时候，会进行深度测试与着色，先渲染的物体有可能被后渲染的物体覆盖，因为后渲染的物体距离屏幕更近。

这样在最坏的情况下，所有物体都会经过着色，此时如果有 n 个物体，m 个光源，那么复杂度就是 $O(n * m)$。

2.2 PrePass / Early-Z

注意，上面提到的是经典的正向渲染，没有考虑 prePass 来先遍历深度等方式。实际上现在的 URP 中的 Forward Path 是会先用 prePass 获取深度，这种情况下复杂度就不能说是 $O(n * m)$，而是 $O(n + m)$。这里的光源计算次数应该是分辨率乘以光照数，但是分辨率通常会认为是个常数。

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