URP 中的延迟渲染路径

URP通用渲染器支持以下渲染路径：

  • 前向（Forward）
  • 前向+（Forward+）
  • 延迟（Deferred）

关于不同渲染路径的差异，请参考渲染路径对比。

本节介绍延迟渲染路径。

使用延迟渲染路径渲染的场景
使用延迟渲染路径渲染的示例场景。

本节包含以下内容：

如何选择延迟渲染路径

要选择渲染路径，请在URP通用渲染器资源的Lighting > Rendering Path属性中进行设置。

在URP通用渲染器资源中选择渲染路径

当选择延迟渲染路径时，Unity会显示精确G-buffer法线属性。

精确G-buffer法线属性可配置Unity在几何缓冲区（G-buffer）存储法线时的编码方式。

  • 关闭精确G-buffer法线：此选项提高性能，尤其是在移动GPU上，但可能会在光滑表面上产生颜色分 banding 伪影。

  • 开启精确G-buffer法线：Unity使用八面体编码法（octahedron encoding）将法线向量存储在法线纹理的RGB通道中。这种编码方式可提供更精确的法线值，但编码和解码操作会增加GPU负载。在使用屏幕空间贴花技术时，该选项不支持贴花法线混合。

关于该设置的更多信息，请参考在G-buffer中的法线编码。

Unity Player系统要求

延迟渲染路径在Unity Player的一般系统要求基础上具有以下额外要求和限制。

  • 最低着色器模型要求：Shader Model 4.5。

  • 延迟渲染路径不支持OpenGL和OpenGL ES API。
    如果项目使用延迟渲染路径并构建到使用这些API的平台，应用程序将回退到前向渲染路径。

实现细节

本节介绍此功能的实现细节，以及其工作方式的技术细节。

G-buffer布局

本节介绍Unity在延迟渲染路径中如何在G-buffer中存储材质属性。

下图展示了Unity在延迟渲染路径中用于渲染目标（Render Target）的数据结构。

Unity在延迟渲染路径中用于渲染目标的数据结构

该数据结构包含以下组件：

Albedo（sRGB）

该字段以sRGB格式存储Albedo颜色，24位。

MaterialFlags（材质标志）

该字段是一个位字段，包含材质标志：

  • 位0，ReceiveShadowsOff：若设置，则该像素不接收动态阴影。

  • 位1，SpecularHighlightsOff：若设置，则该像素不接收高光反射。

  • 位2，SubtractiveMixedLighting：若设置，则该像素使用减法混合光照模式。

  • 位3，SpecularSetup：若设置，则材质使用高光工作流（Specular Workflow）。

位4-7保留供将来使用。

关于更多技术细节，请参考文件 /ShaderLibrary/UnityGBuffer.hlsl。

Specular（镜面反射）

该字段包含以下值：

  • SimpleLit材质：存储RGB镜面反射颜色（24位）。

  • 使用金属度工作流的Lit材质：存储反射率（8位），剩余16位未使用。

  • 使用高光工作流的Lit材质：存储RGB镜面反射颜色（24位）。

Occlusion（遮蔽）

该字段存储来自烘焙光照的遮蔽值。对于实时光照，Unity通过将烘焙遮蔽值与SSAO值结合来计算环境遮蔽值。

Normal（法线）

该字段以24位存储世界空间法线。关于法线编码的详细信息，请参考在G-buffer中的法线编码。

Smoothness（光滑度）

该字段存储SimpleLit和Lit材质的光滑度值。

Emissive/GI/Lighting（自发光/GI/光照）

该渲染目标包含材质的自发光输出以及烘焙光照。在G-buffer Pass期间，Unity填充该字段。在延迟光照Pass期间，Unity将光照计算结果存储在该渲染目标中。

渲染目标格式：

  • 默认使用 B10G11R11_UFloatPack32，除非满足以下条件之一：

    • 在URP资源中，Quality > HDR 设置开启，且目标Player平台不支持HDR。

    • 在Player Settings中，PreserveFramebufferAlpha 设置为true。

  • 如果无法使用 B10G11R11_UFloatPack32，则使用 R16G16B16A16_SFloat。

  • 如果无法使用上述格式，Unity将使用 SystemInfo.GetGraphicsFormat(DefaultFormat.HDR) 方法返回的格式。

ShadowMask（阴影遮罩）

当光照模式设置为 Subtractive 或 Shadow mask 时，Unity会向G-buffer布局添加此渲染目标。

Subtractive 和 Shadow mask 模式针对前向渲染路径进行了优化，在延迟渲染路径中效率较低。为了提高GPU性能，建议在延迟渲染路径中避免使用这些模式，而改用 Baked Indirect 模式。

Rendering Layer Mask（渲染层遮罩）

当启用“使用渲染层”选项（URP资源中的Lighting > Use Rendering Layers）时，Unity会向G-buffer布局添加此渲染目标。

使用渲染层可能会影响GPU性能。更多信息，请参考渲染层。

Depth as Color（深度作为颜色）

当目标平台支持Native Render Pass并启用此功能时，Unity会向G-buffer布局添加该渲染目标。Unity在此渲染目标中以颜色形式渲染深度数据。该渲染目标的作用如下：

  • 提高Vulkan设备的性能。

  • 允许Unity在Metal API上获取深度缓冲区，因为Metal不允许在同一渲染通道内从DepthStencil缓冲区中获取深度。

深度作为颜色的渲染目标格式为 GraphicsFormat.R32_SFloat。

DepthStencil（深度模板缓冲）

Unity在该渲染目标的最高4位中保留了材质类型的标记。更多信息，请参考URP Pass标签：UniversalMaterialType。

对于此渲染目标，Unity根据平台选择 D32F_S8 或 D24S8 格式。

G-buffer中的法线编码

在延迟渲染路径中，Unity 在 G-buffer 中存储法线，并将每个法线向量编码为 24 位值。

当在 URP 通用渲染器资源的 Rendering Path 属性中选择 Deferred 选项时，Unity 会显示 Accurate G-buffer normals 属性。

URP通用渲染器资源中的精确G-buffer法线属性

Accurate G-buffer normals 属性允许配置 Unity 编码法线的方式。

  • 关闭 Accurate G-buffer normals：Unity 在 G-buffer 中以法线纹理的 RGB 通道存储法线向量值，每个通道 8 位（x, y, z）。该方法进行量化，会导致精度损失。此选项可提高性能，尤其是在移动 GPU 上，但可能会在光滑表面上出现颜色分 banding 伪影。

  • 开启 Accurate G-buffer normals：Unity 使用八面体编码法（octahedron encoding）将法线向量存储在法线纹理的 RGB 通道中。该编码方法可提供更精确的法线值，但编码和解码操作会增加 GPU 负载。在使用屏幕空间贴花技术时，该选项不支持贴花法线混合。
    编码法线向量的精度与前向渲染路径中采样的值精度相似。

下图展示了当相机非常靠近 GameObject 时，两种选项的视觉差异：

精确G-buffer法线的视觉差异

性能考量

启用 Accurate G-buffer normals 选项后，由于额外的编码和解码操作，会增加 GPU 负载。在桌面平台和主机上，这个负载影响较小，但在移动 GPU 上可能会显著影响性能。

启用此选项不会增加内存占用。无论采用哪种编码方式，Unity 都会使用相同的法线纹理 RGB 通道来存储法线。

延迟渲染路径的渲染 Pass

下表展示了延迟渲染路径中的渲染 Pass 事件顺序。

渲染 Pass 事件 延迟渲染路径 Pass SSAO 渲染器特性 Pass
BeforeRendering    
BeforeRenderingShadows    
AfterRenderingShadows    
BeforeRenderingPrePasses 深度或深度+法线预处理 Pass（仅前向材质）  
BeforeRenderingGbuffer G-buffer Pass（GBufferPass）  
  复制 G-buffer 深度纹理  
AfterRenderingGbuffer   SSAO（可选）
BeforeRenderingDeferredLights  
延迟渲染（Stencil）
AfterRenderingDeferredLights  
BeforeRenderingOpaques 仅前向渲染的不透明材质
AfterRenderingOpaques   SSAO 和混合（可选）

以下部分描述延迟渲染路径的各个渲染 Pass。

深度或深度+法线预处理 Pass

在延迟渲染路径中，深度预处理 Pass 或深度+法线预处理 Pass 仅渲染不支持延迟渲染模型的材质，例如使用 Complex Lit Shader 的材质。

与前向渲染路径不同，在延迟渲染路径中，Unity 不会使用深度预处理 Pass 生成深度缓冲区的副本。

如果通用渲染器启用了 SSAO 渲染器特性，Unity 会执行深度+法线预处理 Pass。SSAO 使用屏幕空间深度和法线缓冲区计算环境遮蔽。

可选 Pass：SSAO、SSAO + 混合

如果启用了 SSAO 渲染器特性，并且 After Opaque 选项被禁用（默认禁用），Unity 会在 AfterRenderingGbuffer 事件时执行 SSAO Pass，计算 SSAO 纹理。Unity 在延迟渲染 Pass 和前向材质渲染 Pass 中采样该 SSAO 纹理。

启用 After Opaque 选项后，Unity 会在 AfterRenderingOpaques 事件时执行 SSAO + 混合 Pass，并额外执行一个全屏 Pass，将 SSAO 纹理叠加到 Emissive/GI/Lighting 缓冲区上。这会导致烘焙遮蔽和实时遮蔽的双重加深。

性能考量

在具有 TBDR 架构的移动平台上，如果 After Opaque 选项被禁用，Unity 需要额外的渲染目标进行加载和存储操作，这会显著影响性能。

在移动平台上启用 After Opaque 选项可提高 GPU 性能，并避免额外的渲染目标加载和存储操作。

前向渲染 Pass

某些 Unity Shader 使用的光照模型无法在延迟渲染路径中渲染，例如：

  • Complex Lit：该 Shader 的光照模型（如 Clear Coat 效果）过于复杂，额外的材质属性无法容纳在 G-buffer 中。
  • Baked Lit 和 Unlit：这些 Shader 不计算实时光照，因此 Unity 直接在前向 Pass 中将它们渲染到 Emissive/GI/Lighting 缓冲区中。这比在延迟渲染（Stencil）Pass 中处理更快。
  • 自定义 Shader：不声明延迟渲染路径所需 Pass 标签（LightMode 和 UniversalMaterialType）的 Shader，会被 Unity 作为前向渲染处理。有关更多信息，请参考 URP Pass 标签。

Unity 在前向渲染路径中渲染这些材质。若 SSAO 渲染器特性需要计算 Complex Lit 材质的环境遮蔽，则必须在深度+法线预处理 Pass 先渲染这些材质，因为它们不会出现在 G-buffer Pass（GBufferPass）中。

实现注意事项

为了最大化平台兼容性，URP 延迟渲染路径使用光照模板体积技术（Light Stencil Volume）来渲染光照体积并应用延迟着色。

相关代码文件

本节列出了与延迟渲染路径相关的代码文件。

  • 处理延迟渲染路径的主类：

    com.unity.render-pipelines.universal\Runtime\DeferredLights.cs

  • G-buffer Pass 的 ScriptableRenderPass：

    com.unity.render-pipelines.universal\Runtime\Passes\GBufferPass.cs

  • 延迟着色 Pass 的 ScriptableRenderPass：

    com.unity.render-pipelines.universal\Runtime\Passes\DeferredPass.cs

  • 延迟着色的 Shader 资源：

    com.unity.render-pipelines.universal\Shaders\Utils\StencilDeferred.shader

  • 延迟着色的工具函数：

    com.unity.render-pipelines.universal\Shaders\Utils\Deferred.hlsl

  • 处理 G-buffer 材质属性存储与加载的工具函数：

    com.unity.render-pipelines.universal\Shaders\Utils\UnityGBuffer.hlsl

ShaderLab Pass 标签

为了使 Unity 能够在延迟渲染路径中渲染 Shader，该 Shader 必须包含一个带有以下标签定义的 Pass：

"LightMode" = "UniversalGBuffer"

Unity 在 G-buffer Pass 期间执行带有此 LightMode 标签的 Shader。

如果希望 Unity 在延迟渲染路径中的前向 Pass 中渲染某些材质，应在 Shader 的 Pass 中添加以下标签：

"LightMode" = "UniversalForwardOnly"

"LightMode" = "DepthNormalsOnly"

要指定 Shader 的光照模型（Lit、SimpleLit），请使用 UniversalMaterialType 标签。

有关更多信息，请参考 URP Pass 标签：LightMode。

限制与性能

本节描述延迟渲染路径的限制。

地形混合

当混合超过四层地形（Terrain）时，延迟渲染路径可能会生成与前向渲染路径略有不同的结果。这是因为在前向渲染路径中，Unity 使用多 Pass 渲染方式分别处理前四层和接下来的四层。

在前向渲染路径中，Unity 合并材质属性，并计算四层地形的光照效果。然后，Unity 以相同方式处理接下来的四层，并使用 Alpha 混合合并光照结果。

在延迟渲染路径中，Unity 在 G-buffer Pass 中以四层为单位合并地形层，并仅在延迟光照 Pass 中计算光照。与前向渲染路径的处理方式不同，这可能导致视觉上的差异。

Unity 在 G-buffer 中使用硬件混合（每次四层），这可能影响材质属性的正确性。例如，像素法线无法仅通过 Alpha 混合正确合成，因为某些地形层可能包含较粗糙的地形细节，而另一些地形层可能包含精细细节。对法线进行平均或求和会导致精度损失。

注意： 开启 Accurate G-buffer normals 选项会破坏地形混合。此选项使用八面体编码存储法线，而该编码方法无法对不同层的法线进行正确混合。如果应用程序需要使用超过四层的地形，应关闭 Accurate G-buffer normals 选项。

下图展示了不同渲染路径下地形层的视觉差异：

使用前向渲染路径渲染的地形层
使用前向渲染路径渲染的地形层

使用延迟渲染路径渲染的地形层
使用延迟渲染路径渲染的地形层

预烘焙全局光照（Baked Global Illumination）与光照模式

当启用预烘焙全局光照时，在延迟渲染路径中，Subtractive 和 Shadowmask 光照模式会给 GPU 带来额外负载。

延迟渲染路径支持 Subtractive 和 Shadowmask 光照模式，以保持兼容性。但与前向渲染路径不同，这些模式在延迟渲染路径中不会带来性能优化。在延迟渲染路径中，Unity 使用相同的光照算法处理所有网格，并将 Subtractive 和 Shadowmask 模式所需的额外光照属性存储在 ShadowMask 渲染目标 中。

在延迟渲染路径中，Baked Indirect 光照模式提供更好的性能，因为它不需要额外的 ShadowMask 渲染目标。

渲染层（Rendering Layers）

URP 提供 Rendering Layers 功能，允许配置场景中哪些光源影响特定网格。被分配到特定渲染层的光源仅会影响同一渲染层中的网格。

有关渲染层的更多信息，请参考 Rendering Layers。

性能影响

Rendering Layers 需要额外的 G-buffer 渲染目标来存储渲染层遮罩（32 位）。这个额外的渲染目标可能会对 GPU 性能产生负面影响。

实现说明

在前向渲染路径中，Unity 允许使用 Layers 功能，通过剔除遮罩（Culling Mask）系统让特定光源影响特定网格。

由于延迟渲染路径的光照计算是在渲染循环的后期阶段进行的（请参阅 延迟渲染路径渲染 Pass 中的 Deferred rendering (stencil) 步骤），因此无法使用层系统进行光照剔除。