unit引擎渲染管线之场景遍历

在Unity的渲染过程中，场景遍历是一个关键步骤，它直接影响到渲染性能和最终的视觉效果。以下是对场景遍历过程的详细说明，包括对象查找、剔除（Culling）以及后续处理的步骤。

1. 对象查找

在每一帧渲染时，Unity会遍历场景中的所有GameObject，查找具有Renderer组件的物体。这个过程包括：

• 遍历所有GameObject：Unity会从场景中的根对象开始，递归地检查每个子对象，查找是否有Renderer组件（如MeshRenderer、SpriteRenderer等）。
• 收集可渲染对象：所有找到的具有Renderer组件的对象会被收集到一个列表中，以便后续处理。

2. 剔除（Culling）

剔除是优化渲染性能的重要步骤，Unity在遍历过程中会进行以下几种剔除：

2.1 视锥剔除（Frustum Culling）

• 视锥体：视锥体是由相机的视野定义的一个空间，只有在这个空间内的物体才会被渲染。
• 剔除过程：Unity会检查每个Renderer组件的包围盒（Bounding Box）是否与视锥体相交。如果不相交，则该物体被剔除，不会被进一步处理。

2.2 遮挡剔除（Occlusion Culling）

• 遮挡剔除：遮挡剔除用于判断哪些物体被其他物体遮挡，只有那些可见的物体才会被渲染。
• 遮挡体：Unity会使用遮挡体（Occlusion Areas）来帮助判断哪些物体是可见的。遮挡剔除通常在场景中使用静态物体进行预计算，以提高性能。

3. 渲染排序

在完成对象查找和剔除后，Unity会对可渲染的物体进行排序，以确定渲染的顺序。排序的依据通常包括：

• 材质：相同材质的物体会被批处理，以减少绘制调用。
• 透明度：透明物体通常会在不透明物体之后渲染，以确保正确的视觉效果。

4. 绘制调用（Draw Calls）

经过剔除和排序后，Unity会为每个可渲染的物体发出绘制调用。绘制调用是指向GPU发送渲染指令的过程。每个绘制调用通常包括：

• 设置状态：设置当前的渲染状态，包括材质、Shader、纹理等。
• 绘制命令：向GPU发送绘制命令，指示其渲染特定的网格。

5. 后处理

在所有物体都被渲染后，Unity会进行后处理效果的应用。这些效果包括：

• 抗锯齿：平滑边缘，减少锯齿状效果。
• 景深：模拟相机的焦距，模糊不在焦点范围内的物体。
• 色彩校正：调整场景的色彩和对比度。

6. 总结

场景遍历是Unity渲染管线中的一个重要环节，通过对象查找、剔除、渲染排序和绘制调用等步骤，Unity能够高效地渲染场景中的可见物体。理解这一过程有助于开发者优化游戏性能，确保在复杂场景中仍能保持流畅的渲染效果。

在Unity中，场景遍历和渲染的过程是由引擎内部处理的，开发者通常不需要直接编写遍历和剔除的代码。然而，我们可以通过一些C#代码示例来模拟场景遍历的逻辑，帮助理解这个过程。

以下是一个简单的示例，展示如何在Unity中遍历场景中的所有GameObject，查找具有Renderer组件的物体，并进行视锥剔除的基本逻辑。

示例代码

using UnityEngine;

public class SceneTraversal : MonoBehaviour
{
    // 相机的视锥体
    private Camera mainCamera;

    void Start()
    {
        // 获取主相机
        mainCamera = Camera.main;
    }

    void Update()
    {
        // 每帧遍历场景中的所有可渲染对象
        TraverseScene();
    }

    void TraverseScene()
    {
        // 获取场景中的所有Renderer组件
        Renderer[] renderers = FindObjectsOfType<Renderer>();

        foreach (Renderer renderer in renderers)
        {
            // 进行视锥剔除
            if (IsVisible(renderer))
            {
                // 如果可见，可以进行渲染处理
                RenderObject(renderer);
            }
        }
    }

    bool IsVisible(Renderer renderer)
    {
        // 获取物体的包围盒
        Bounds bounds = renderer.bounds;

        // 检查包围盒是否与相机的视锥体相交
        Plane[] planes = GeometryUtility.CalculateFrustumPlanes(mainCamera);
        return GeometryUtility.TestPlanesAABB(planes, bounds);
    }

    void RenderObject(Renderer renderer)
    {
        // 这里可以添加渲染逻辑
        // 例如，设置材质、Shader等
        // 目前只是打印出可见的物体名称
        Debug.Log("Rendering: " + renderer.gameObject.name);
    }
}

代码说明

1. 获取主相机：在Start方法中，我们获取场景中的主相机。

2. 遍历场景：在Update方法中，我们调用TraverseScene方法，每帧遍历场景中的所有Renderer组件。

3. 视锥剔除：

   • 在IsVisible方法中，我们获取每个Renderer的包围盒（bounds）。
   • 使用GeometryUtility.CalculateFrustumPlanes方法计算相机的视锥体平面。
   • 使用GeometryUtility.TestPlanesAABB方法检查包围盒是否与视锥体相交。

4. 渲染处理：在RenderObject方法中，我们可以添加实际的渲染逻辑。这里我们只是打印出可见物体的名称。

注意事项

• 这个示例代码是一个简化的版本，实际的Unity渲染管线会更加复杂，涉及到更多的优化和处理。
• Unity的渲染过程是高度优化的，开发者通常不需要手动处理这些细节，除非在特定情况下需要自定义渲染逻辑。
• 这个示例主要用于学习和理解场景遍历和视锥剔除的基本概念。

我们可以进一步探讨Unity渲染过程中的其他方面，或者扩展之前的代码示例，以涵盖更多的功能和优化。以下是一些可能的扩展方向：

1. 遮挡剔除（Occlusion Culling）

虽然在上面的示例中我们只实现了视锥剔除，但在实际应用中，遮挡剔除也是一个重要的性能优化手段。Unity提供了内置的遮挡剔除系统，但我们可以模拟一个简单的遮挡剔除逻辑。

示例代码扩展

using UnityEngine;

public class SceneTraversal : MonoBehaviour
{
    private Camera mainCamera;

    void Start()
    {
        mainCamera = Camera.main;
    }

    void Update()
    {
        TraverseScene();
    }

    void TraverseScene()
    {
        Renderer[] renderers = FindObjectsOfType<Renderer>();

        foreach (Renderer renderer in renderers)
        {
            if (IsVisible(renderer) && IsNotOccluded(renderer))
            {
                RenderObject(renderer);
            }
        }
    }

    bool IsVisible(Renderer renderer)
    {
        Bounds bounds = renderer.bounds;
        Plane[] planes = GeometryUtility.CalculateFrustumPlanes(mainCamera);
        return GeometryUtility.TestPlanesAABB(planes, bounds);
    }

    bool IsNotOccluded(Renderer renderer)
    {
        // 简单的遮挡剔除逻辑
        // 这里可以实现更复杂的遮挡检测
        // 例如，检查是否有其他物体在视线之间
        RaycastHit hit;
        Vector3 direction = renderer.transform.position - mainCamera.transform.position;

        // 使用射线检测
        if (Physics.Raycast(mainCamera.transform.position, direction, out hit))
        {
            // 如果射线击中的是其他物体，且该物体不是当前的renderer
            if (hit.collider != renderer.GetComponent<Collider>())
            {
                return false; // 被遮挡
            }
        }
        return true; // 未被遮挡
    }

    void RenderObject(Renderer renderer)
    {
        Debug.Log("Rendering: " + renderer.gameObject.name);
    }
}

2. 物体分组和批处理

为了进一步优化性能，我们可以考虑将相同材质的物体进行分组和批处理。Unity的Static Batching和Dynamic Batching可以自动处理这些，但我们也可以手动实现一个简单的批处理逻辑。

示例代码扩展

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class SceneTraversal : MonoBehaviour
{
    private Camera mainCamera;

    void Start()
    {
        mainCamera = Camera.main;
    }

    void Update()
    {
        TraverseScene();
    }

    void TraverseScene()
    {
        Renderer[] renderers = FindObjectsOfType<Renderer>();
        Dictionary<Material, List<Renderer>> materialGroups = new Dictionary<Material, List<Renderer>>();

        foreach (Renderer renderer in renderers)
        {
            if (IsVisible(renderer) && IsNotOccluded(renderer))
            {
                if (!materialGroups.ContainsKey(renderer.material))
                {
                    materialGroups[renderer.material] = new List<Renderer>();
                }
                materialGroups[renderer.material].Add(renderer);
            }
        }

        // 批处理渲染
        foreach (var group in materialGroups)
        {
            RenderBatch(group.Key, group.Value);
        }
    }

    bool IsVisible(Renderer renderer)
    {
        Bounds bounds = renderer.bounds;
        Plane[] planes = GeometryUtility.CalculateFrustumPlanes(mainCamera);
        return GeometryUtility.TestPlanesAABB(planes, bounds);
    }

    bool IsNotOccluded(Renderer renderer)
    {
        RaycastHit hit;
        Vector3 direction = renderer.transform.position - mainCamera.transform.position;

        if (Physics.Raycast(mainCamera.transform.position, direction, out hit))
        {
            if (hit.collider != renderer.GetComponent<Collider>())
            {
                return false; // 被遮挡
            }
        }
        return true; // 未被遮挡
    }

    void RenderBatch(Material material, List<Renderer> renderers)
    {
        // 这里可以实现批处理渲染逻辑
        // 例如，设置材质并一次性绘制所有物体
        foreach (var renderer in renderers)
        {
            // 这里可以添加实际的渲染调用
            Debug.Log("Batch Rendering: " + renderer.gameObject.name);
        }
    }
}

3. 其他优化建议

• 使用层（Layer）和标签（Tag）：可以通过设置层和标签来快速过滤不需要渲染的物体。
• LOD（Level of Detail）：使用LOD技术，根据相机与物体的距离切换不同的模型细节，以提高性能。
• 合并网格：对于静态物体，可以在编辑器中合并网格，以减少绘制调用。

4. 总结

通过以上的代码示例和扩展，我们可以看到如何在Unity中实现基本的场景遍历、视锥剔除和遮挡剔除的逻辑，以及如何进行简单的批处理渲染。这些概念对于理解Unity的渲染管线和优化游戏性能非常重要。