【渲染流水线】[光栅阶段]-[光栅插值]以UnityURP为例
[*]作用:将几何图元(三角形)转换为片元(Fragment),并插值顶点属性(如纹理坐标)
[*]可配置:通过 Cull 指令控制面片剔除模式(Back/Front/Off)。
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三角形设置 Triangle Setup
预先计算全局系数
[*]优化遍历效率;实时计算则结合像素位置完成动态插值,确保透视正确性。
输入:
[*]屏幕坐标系下的三角形顶点坐标(包含深度值 z)
[*]关联属性:法线、纹理坐标、顶点颜色等
生成:
[*]计算边界框:确定三角形在屏幕上的最小/最大像素范围(x_min, y_min 至 x_max, y_max),限定后续遍历区域。
[*]生成边方程(效率低,用点积求重心方式判断替代的话这里不用求解这个):构建三角形三条边的线性方程(如 Ax+By+C=0),用于后续像素覆盖判断
[*]重心坐标分母项:预计算重心坐标插值所需的公共分母(如 1/(w0·α + w1·β + w2·γ)),避免遍历阶段重复计算(由于使用点积重心坐标求解重心和像素判断,其中解方程组时有一个共同的行列式分母需要点积计算,这里可以把分母预计算,下面阶段就可以直接用。 点积重心求解坐标下面的三角形遍历阶段有解释。)
[*]与像素位置无关的数学系数,供遍历阶段复用。
三角形遍历 Triangle Traversal (扫描变换 ScanConversion)
输入数据
[*]三角形设置阶段输出的网格表示数据
输出数据
像素覆盖检测
[*]遍历边界框内所有像素,通过边方程或重心坐标判断(点积重心坐标求解代替叉乘面积求解加速优化运算)中心点是否在三角形内部
片元生成
对覆盖的像素创建片元(Fragment),包含以下状态:
[*]屏幕坐标 (x, y)
[*]插值后的深度值 z
[*]插值后的属性:法线、纹理坐标、颜色等
深度初筛
[*]初步计算片元深度,供后续深度测试使用
输出 片元序列(每个片元包含像素位置、深度及插值属性),传递至片元着色器
利用重心坐标权重混合顶点属性,确保纹理、颜色等平滑过渡:
$属性pixel=α⋅属性A+β⋅属性B+γ⋅属性C$
点积法重心坐标公式解析
URP中光栅化的具体过程举例
Unity URP的光栅化阶段,几何图元通过重心坐标公式转化为片元的过程:
三角形设置阶段
[*]首先计算三角形在屏幕空间的包围盒,确定潜在覆盖的像素范围。
[*]例如一个三角形顶点坐标为(100,200)、(300,400)、(200,500),其包围盒范围为x∈,y∈。
三角形遍历与片元生成
[*]遍历包围盒内所有像素,通过重心坐标判断是否在三角形内。重心坐标公式为:
[*]$α + β + γ = 1 (α,β,γ ≥ 0)$
[*]若像素(150,300)的重心坐标计算结果为α=0.4, β=0.3, γ=0.3,则该像素属于三角形。
透视校正插值
[*]使用公式对顶点属性进行插值:
[*]$f = (αf₀/w₀ + βf₁/w₁ + γf₂/w₂) / (α/w₀ + β/w₁ + γ/w₂)$
[*]例如插值纹理坐标时,若三个顶点的w值为1.0、1.2、1.1,UV为(0,0)、(1,0)、(0,1),则像素(150,300)的UV插值结果为(0.28, 0.23)45。
具体案例:
[*]一个红色渐变三角形,顶点颜色分别为红(1,0,0)、绿(0,1,0)、蓝(0,0,1)。
[*]片元(200,350)的重心坐标为(0.5,0.3,0.2),插值后颜色为(0.5,0.3,0.2)。
光栅化在URP中的具体实现
核心类与方法
在URP管线中,相关逻辑由以下部分实现:
[*]UniversalRenderer类:负责组织渲染流程,通过RenderOpaqueGeometry等方法触发光栅化
[*]ShaderLibrary/Core.hlsl:包含插值计算的底层实现,如InterpolateBarycentricCoords等工具函数
[*]GPU固定功能单元:实际计算由硬件光栅化器完成,Unity通过CommandBuffer.DrawProcedural等接口触发
GPU加速机制
重心坐标计算通过以下方式实现硬件加速:
[*]由GPU的光栅化引擎(Rasterizer Engine)自动执行,属于固定管线功能
[*]Unity通过ShaderPass中的HLSLPROGRAM声明插值变量(如Varyings结构体),驱动GPU完成插值
[*]计算过程优化为并行处理,每个流处理器(SM)同时处理多个像素的重心坐标
典型数据流路径为:
UniversalRenderer → Shader.Draw → GPU光栅化器 → 片元着色器(接收插值后数据
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