Unity是如何把3D场景显示到屏幕上的——Unity的渲染过程

前段时间在看Shader Graph的时候，发现很多基本概念搞不懂，于是刨了一下Unity的的渲染过程，权当复习计算机图形学了。毕竟奔五的老头了，年事渐高，记性也越发不济，便把学到的东西整理成了这篇笔记。其中若有疏漏或错误之处，还恳请不吝指正。

一、Unity的渲染的过程包含哪几个阶段？

包含以下四个阶段：应用程序阶段、几何阶段、光栅化阶段、像素处理阶段

每个阶段包含哪些操作：

二、扫清障碍——基本概念解释

1、缓冲区（Buffer）

【缓冲区】这个词出现在【像素处理阶段】，讲的是在像素处理阶段，GPU会把像素信息包（又名“片段”）进行渲染，选然后依据深度信息进行评判，剔除一些看不见的信息，然后把要显示的信息更新到帧缓冲区里面（它有颜色、深度、模板三个缓冲区组成）。

渲染管线中，是用来临时存储数据的内存区域。存储的对象是渲染过程中产生的像素、深度、颜色等信息。

（1）缓冲区

渲染管线中，是用来临时存储数据的内存区域。存储的对象是渲染过程中产生的像素、深度、颜色等信息。

（2）帧缓冲区

一个综合的缓冲区，可能包含颜色缓冲区、深度缓冲区和模板缓冲区，用于存储最终的渲染结果。该缓冲区它是一个逻辑概念，不是物理结构，它实际由颜色、深度、模板三个缓冲区构成。

（3）颜色缓冲区(Color Buffer)

存储每个像素的颜色信息（RGB或RGBA）。这是渲染后直接影响屏幕显示的主要缓冲区。

（4）深度缓冲区(Depth Buffer)

也叫Z缓冲区，存储每个像素的深度值（距离相机的远近），用于确定哪些物体在其他物体前面，解决遮挡问题。

（5）模板缓冲区(Stencil Buffer)

用于存储模板值，常用于实现特定的渲染效果，如遮罩、轮廓、反射等。

（6）缓冲区的示意图

（7）帧缓冲区与颜色、深度、模板缓冲区的关系

（8）帧缓冲区是全局公用的吗？是的

（9）什么是【深度测试】？

像素处理阶段：深度测试解决基本的空间遮挡，判断某像素坐标处的几个【片段】的【深度值】，保留近的，舍弃远的。

（10）什么是【模板测试】？

像素处理阶段：模板测试则用于实现局部渲染、遮罩、轮廓线等定制化效果

2、Unity中的MeshFilter和MeshRenderer渲染组件

（1）MeshFilter组件

• 意为“网格过滤器”或者“网格提供者”
• 这个组件，界定了一个物体的外形，外形的意思就是物体的几何数据——顶点数据（位置、UV、法线、切线），以及面数信息（三角形索引信息）。
• 只提供数据，不处理渲染逻辑。

（2）MeshRenderer组件

• 网格渲染组件
• MeshRenderer 是一个 Unity 组件，负责将 MeshFilter 提供的几何数据提交给渲染管线，并结合材质（Material）进行渲染。
• 它的作用 ：
• • 提交渲染命令：将 MeshFilter 的网格数据和材质信息传递给 URP，触发渲染。
• • 定义外观：通过材质和 Shader 控制物体的颜色、纹理、光照效果（如漫反射、镜面高光）。
• • 控制渲染行为：设置渲染队列（不透明/透明）、阴影投射/接收、光探针使用等。

3、几何阶段的相关概念

（1）几何阶段是做啥的？

• 几何阶段用到的信息来自哪里
  在 Unity 的 URP（通用渲染管线，Universal Render Pipeline） 中，几何阶段（Geometry Stage） 的输入是 3D 模型的网格数据及其相关属性，具体由 MeshFilter 和 MeshRenderer 组件提供的数据组成，但这些组件本身不是直接输入，而是通过它们在应用程序阶段准备的数据传递到 GPU

• 把场景中要渲染的物体，在【顶点着色器】的加持下，经过历次空间坐标变换，从把要渲染的物体从模型空间——>世界空间——>相机空间——>裁剪空间——>屏幕空间，逐次变换。

• 进行图元组装：把3D物体切碎成基本的渲染图形，最后组装成一个又一个的信息包。

• 裁剪操作：把看不见的图元删除

（2）什么是图元？

• 图元的这个词的来源： 来自英文“Primitive”，意思是【原始的】、【基本的】，在图形学中指【渲染管线中最基本的几何形状】，如三角形（Triangle）、线段（Line）、点（Point）。或者改为【基本图形】、【绘制单元】更好理解。

• 图元包含的信息：
  

（3）几何计算阶段会产生大量的图元？

在几何处理中，确实会根据需求生成大量图元，且这些图元通常以最基础的图形（点、线段、三角形）为单位。这是因为复杂的几何模型或场景往往需要通过这些 “最小单元” 来精确描述，同时也便于计算、渲染和存储。

（4）什么是【顶点变换】？

顶点变换就是把场景里要渲染的物体，不断地进行坐标变换，是他们从模型坐标，变换到屏幕坐标。有【顶点着色器】完成。

（5）什么是【模型空间】、【世界空间】、【相机空间】、【裁剪空间】、【屏幕空间】？

（6）什么是【顶点着色器】

（7）什么是【图元组装】

4、光栅化相关概念

（1）什么是【光栅化】

CRT显示器在显示图像的时候，电子枪逐行扫射屏幕上的荧光点，屏幕被颜色“格子”填满后，便产生了图像。这个过程以前叫“光栅化”。

（2）光栅化的作用

（3）什么是【片段】

• 背景知识：
  1、【光栅化】阶段把【图元】处理成【片段】。
  2、【光栅化】就是把【裁剪空间】的数据处理成【屏幕空间】的数据。

屏幕空间中的每个像素点，要显示内容为裁剪空间中对应位置的物体信息，一个像素点要显示的内容可能不止一个，那么，这些要显示在某个像素点的一个或者多个内容，就是片段。

（4）为什么叫【片段】

为什么叫片段？
【光栅化】阶段的扫描工作，把一个3D图元“切碎”成覆盖屏幕像素的小块。每个小块对应一个像素，就是一个“片段”。

（5）【片段】包含写什么信息（结构）

5、像素处理阶段（片段着色阶段）

（1）什么是【像素处理阶段】

像素处理阶段（Fragment Processing Stage） 是渲染管线的核心阶段，由 GPU 执行，负责处理光栅化阶段生成的片段（Fragment），为每个像素计算最终颜色并决定渲染结果。

（2）【像素处理阶段】的处理流程是啥?

（3）【像素处理阶段】的几个缓冲区概念

（4）什么是片段着色器

• 定义： 片段着色器是一个可编程的 GPU 程序，处理光栅化阶段生成的片段，计算每个片段的颜色（RGBA）和其他输出（如深度或模板值），决定像素在屏幕上的最终外观。
• 位置： 运行在像素处理阶段，在光栅化阶段（生成片段）之后，后处理阶段（如颜色分级）之前。
• 核心特点：
  逐片段处理：每个片段独立运行一次片段着色器。
  主要输出颜色值，供后续测试和写入渲染目标（如颜色缓冲区）。

三、一个案例的渲染流程

• Unity
• URP
• 单相机
• 场景有三个立方体A、B、C