Unity Shader编程】之透明物体渲染

以下是针对您提出的关于 Unity Shader 渲染 Pass 的查看方法、多个 Pass 的影响、Pass 的含义，以及 Unity 渲染物体的流程和处理多个透明/半透明/不透明物体的详细解答。

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1. Unity Shader 渲染 Pass 的查看方法

查看 Pass 的方法

• 通过 Shader 代码：

  • 打开 Unity 项目中的 Shader 文件（.shader），在 SubShader 块中，Pass 是以 Pass { ... } 形式定义的。每个 Pass 包含特定的渲染设置和着色器代码。
  • 示例：

    SubShader
    {Pass{// Pass 1 的设置和代码CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment fragENDCG}Pass{// Pass 2 的设置和代码CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment fragENDCG}
    }
    

  • 您可以直接查看代码中定义了多少个 Pass，以及每个 Pass 的功能（如光照、阴影等）。

• 通过 Unity Inspector：

  • 选择一个使用该 Shader 的材质，Unity 的 Inspector 窗口会显示 Shader 的基本信息，但不会直接列出 Pass 数量。要深入了解，需查看代码或使用调试工具。

• 使用 Frame Debugger：

  • 在 Unity 编辑器中，打开 Window > Analysis > Frame Debugger。
  • 播放场景后，点击 Enable，Frame Debugger 会展示每一帧的渲染过程，包括每个 Pass 的调用顺序、使用的 Shader 和 Draw Call。
  • 通过 Frame Debugger，您可以查看每个 Pass 的具体执行细节（如渲染目标、深度测试等）。

• 使用 Profiler：

  • 打开 Window > Analysis > Profiler，选择 Rendering 选项卡。
  • 运行场景后，Profiler 会显示渲染统计信息，包括 Pass 数量和耗时，帮助您分析性能。

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2. Pass 代表的含义及多个 Pass 的影响

Pass 代表什么？

• 定义：Pass 是 Unity Shader 中的一个渲染阶段，表示一次完整的渲染操作。每次 Pass 都会生成一个 Draw Call，Unity 会根据 Pass 的设置（例如渲染状态、着色器代码）对物体进行绘制。
• 作用：Pass 允许 Shader 在同一材质中执行多个不同的渲染任务，例如一次渲染漫反射，一次渲染阴影，或一次渲染透明效果。
• 典型应用：
  • 渲染不同类型的光照（例如前向渲染中的基光和附加光）。
  • 生成阴影映射。
  • 处理透明度和多重纹理。

多个 Pass 的影响

• 性能影响：
  • 每增加一个 Pass，Unity 会发起一个额外的 Draw Call，增加 GPU 和 CPU 的开销。
  • 如果场景中物体数量多，Pass 过多会导致性能下降（例如帧率降低）。
• 渲染顺序：
  • 多个 Pass 按定义顺序执行，影响渲染结果的叠加方式。例如，前一个 Pass 的输出可能影响后一个 Pass 的输入。
• 复杂性：
  • 增加 Pass 可以实现复杂效果（如多层光照或多重纹理混合），但也提高了 Shader 的复杂度和维护难度。
• 优化建议：
  • 尽量减少不必要的 Pass，使用 Shader 特性（如多编译指令 #pragma multi_compile）来动态切换渲染路径。
  • 使用 Unity 的 SRP（Scriptable Render Pipeline）来优化 Pass 调用。

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3. Unity 渲染物体的流程

Unity 的渲染流程可以分为以下几个主要阶段：

渲染流程

1. 初始化阶段：

   • Unity 加载场景，初始化摄像机、灯光和渲染管线（例如内置管线或 URP/HDRP）。
   • 确定渲染顺序（基于材质、层级和渲染类型）。

2. 剔除（Culling）：

   • 摄像机根据视锥体剔除不可见的物体，减少不必要的渲染。

3. 排序（Sorting）：

   • 不透明物体按状态块（State Block）排序，优化 Draw Call。
   • 透明物体按距离摄像机从远到近排序（深度排序），以正确处理透明效果。

4. 渲染阶段：

   • Pass 执行：对每个物体调用其 Shader 的 Pass，按顺序绘制。
   • 光照计算：根据光源类型（方向光、点光源等）计算漫反射、镜面反射等。
   • 后处理：应用 Bloom、Motion Blur 等效果。

5. 输出：

   • 将最终颜色缓冲区输出到屏幕。

渲染管线类型

• 内置管线（Built-in Render Pipeline）：默认渲染流程，适合简单项目。
• SRP（Scriptable Render Pipeline）：如 URP 和 HDRP，提供更灵活的控制和优化。

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4. 场景中多个透明、半透明、不透明物体如何处理

在 Unity 中，透明、半透明和不透明物体的渲染顺序和处理方式有显著差异。以下是具体方法：

物体分类

• 不透明物体：
  • 使用 RenderType=Opaque 标签。
  • 渲染顺序：按材质和状态块排序，优先深度测试和写入。
• 半透明物体：
  • 使用 RenderType=Transparent 标签，启用 Alpha 混合（Blend）。
  • 渲染顺序：按距离摄像机从远到近排序，避免颜色覆盖错误。
• 透明物体（Alpha 测试）：
  • 使用 RenderType=TransparentCutout 标签，配合 clip 函数。
  • 渲染顺序：与不透明物体一起渲染，但根据 Alpha 值裁剪像素。

处理方法

1. 设置 Shader Tags：

   • 在 SubShader 中使用 Tags 定义渲染类型：

     Tags { "RenderType"="Opaque" }  // 不透明
     Tags { "RenderType"="Transparent" }  // 半透明
     Tags { "RenderType"="TransparentCutout" }  // 透明（Alpha 测试）
     

   • 为什么：这些标签告诉 Unity 如何分组和排序物体。

2. 调整渲染队列（Queue）：

   • 在 Tags 中设置 Queue 参数，控制渲染顺序：
     • Queue="Geometry"：不透明物体（默认 2000）。
     • Queue="AlphaTest"：Alpha 测试物体（默认 2450）。
     • Queue="Transparent"：半透明物体（默认 3000）。
   • 示例：

     Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" }
     

   • 为什么：确保透明物体在不透明物体之后渲染，避免深度冲突。

3. 启用 Alpha 混合或裁剪：

   • 半透明：使用 Blend 指令，例如：

     Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha  // 标准 Alpha 混合
     

   • 透明（Alpha 测试）：使用 clip 函数：

     clip(texColor.a - 0.5);  // 裁剪 Alpha 小于 0.5 的像素
     

   • 为什么：Alpha 混合实现渐变透明，Alpha 测试实现硬边裁剪。

4. 优化渲染：

   • 减少过绘（Overdraw）：避免过多的透明物体重叠，影响性能。
   • 批处理（Batching）：确保不透明物体支持静态批处理，减少 Draw Call。
   • SRP 设置：在 URP/HDRP 中调整渲染特征，优化透明物体排序。

场景中的处理流程

• 不透明物体：先渲染（深度写入），按状态块排序。
• Alpha 测试物体：接着渲染（深度写入但不混合），按状态块排序。
• 半透明物体：最后渲染（关闭深度写入，启用混合），按距离排序。
• 示例场景：
  • 一个不透明地面、一个透明树叶（Alpha 测试）、一个半透明水面。
  • Shader 设置：地面用 Opaque，树叶用 TransparentCutout，水面用 Transparent。
  • 渲染顺序：地面 → 树叶 → 水面。

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总结

• 查看 Pass：通过 Shader 代码或 Frame Debugger 分析。
• 多个 Pass 影响：增加 Draw Call 和复杂性，需优化。
• Pass 含义：一次渲染操作，可实现多阶段效果。
• 渲染流程：初始化 → 剔除 → 排序 → 渲染 → 输出。
• 多物体处理：通过 Tags 和 Queue 控制顺序，结合 Alpha 混合/裁剪优化效果。

好的，我来为你完整解答 Unity Shader 中与 ZWrite、ZTest 相关的渲染状态设置，并统一说明所有常见的渲染状态，帮助你全面理解这些设置的作用和使用场景。

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Unity Shader 中的渲染状态设置

在 Unity Shader 中，渲染状态（Render State）定义了渲染管线如何处理几何体、深度、颜色等信息。除了 ZWrite 和 ZTest，还有其他相关设置共同影响渲染行为。以下是详细的说明：

1. ZWrite（深度写入）

• 作用：决定是否将物体的深度值写入深度缓冲区（Depth Buffer）。
• 可选值：
  • ZWrite On：开启深度写入（默认值），物体渲染后会更新深度缓冲区。
  • ZWrite Off：关闭深度写入，物体不会影响深度缓冲区。
• 使用场景：
  • 不透明物体：通常使用 ZWrite On，确保正确遮挡后面的物体。
  • 透明物体：通常使用 ZWrite Off，避免阻挡后续物体的渲染，同时配合混合（Blend）实现透明效果。
• 注意：即使关闭 ZWrite，深度测试（ZTest）仍然会生效。

2. ZTest（深度测试）

• 作用：决定物体是否通过深度测试，从而判断是否渲染该像素。
• 可选值：
  • ZTest Less：深度值小于深度缓冲区值时通过。
  • ZTest Greater：深度值大于深度缓冲区值时通过。
  • ZTest LEqual：深度值小于或等于时通过（默认值）。
  • ZTest GEqual：深度值大于或等于时通过。
  • ZTest Equal：深度值相等时通过。
  • ZTest Always：始终通过深度测试。
  • ZTest Never：始终不通过深度测试。
• 使用场景：
  • 不透明物体：通常使用 ZTest LEqual，确保按深度顺序正确渲染。
  • 透明物体：通常也用 ZTest LEqual，但配合 ZWrite Off 和 Blend。
  • 特殊效果：如 ZTest Always 用于强制渲染（如 UI 或前景效果）。
• 注意：ZTest 的结果只影响像素是否渲染，不影响深度缓冲区的更新（由 ZWrite 控制）。

3. Blend（颜色混合）

• 作用：控制当前渲染的颜色（源颜色）与颜色缓冲区已有颜色（目标颜色）的混合方式。
• 可选值：
  • Blend Off：关闭混合（默认值），直接覆盖颜色缓冲区。
  • Blend SrcFactor DstFactor：指定源因子和目标因子的混合公式。
    • 常见示例：
      • Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha：标准透明混合。
      • Blend One One：加法混合。
• 使用场景：
  • 透明物体：开启混合（如 Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha）实现透明效果。
  • 不透明物体：通常关闭混合，直接覆盖背景。
• 注意：Blend 通常与 ZWrite Off 和 Queue="Transparent" 配合使用。

4. Cull（面剔除）

• 作用：决定剔除物体的哪个面（正面或背面），或不剔除。
• 可选值：
  • Cull Back：剔除背面（默认值）。
  • Cull Front：剔除正面。
  • Cull Off：不剔除，渲染双面。
• 使用场景：
  • 不透明物体：使用 Cull Back 提高性能，只渲染正面。
  • 透明物体：常使用 Cull Off，确保双面可见。
• 注意：双面渲染会增加性能开销。

5. Offset（深度偏移）

• 作用：调整物体的深度值，避免深度冲突（Z-Fighting）。
• 语法：
  • Offset Factor, Units：Factor 影响深度斜率，Units 提供固定偏移。
• 使用场景：
  • 重叠平面：如贴花、道路标记，使用 Offset -1, -1 调整深度。
• 注意：Offset 不影响深度缓冲区内容，仅影响深度测试时的比较值。

6. ColorMask（颜色掩码）

• 作用：控制哪些颜色通道（R、G、B、A）写入颜色缓冲区。
• 可选值：
  • ColorMask RGBA：写入所有通道（默认值）。
  • ColorMask RGB：只写入 RGB 通道。
  • ColorMask A：只写入 Alpha 通道。
  • ColorMask 0：不写入任何通道。
• 使用场景：
  • 特殊效果：如只写入 Alpha 通道用于后期处理。
  • 优化：配合深度测试实现某些渲染技巧。

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完整 Shader 示例

以下是一个结合多种渲染状态的 Unity Shader 示例，用于透明物体渲染：

Shader "Custom/FullRenderStateExample"
{Properties{_Color ("颜色", Color) = (1,1,1,1)_MainTex ("主纹理", 2D) = "white" {}}SubShader{Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" }ZWrite Off                     // 关闭深度写入ZTest LEqual                   // 深度测试：小于或等于时通过Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // 标准透明混合Cull Off                       // 渲染双面Offset -1, -1                  // 深度偏移ColorMask RGB                  // 只写入 RGB 通道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 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _Color;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = v.uv;return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;return col;}ENDCG}}
}

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总结

Unity Shader 的渲染状态控制了渲染管线的行为，以下是关键设置的统一说明：

• ZWrite：控制深度写入，决定是否更新深度缓冲区。
• ZTest：控制深度测试，决定像素是否渲染。
• Blend：控制颜色混合，常用于透明效果。
• Cull：控制面剔除，优化性能或实现双面渲染。
• Offset：调整深度值，解决深度冲突。
• ColorMask：控制颜色通道写入，用于特殊需求。

这些设置通常在 SubShader 或 Pass 中定义，灵活组合可以实现各种渲染效果。希望这对你理解 Unity Shader 的渲染状态有所帮助！如果还有疑问，欢迎继续提问！