【Unity Summary】 RenderPipeline

reference：https://docs.unity3d.com/ja/current/Manual/Graphics.html

RenderPipeline

• Scene の contents を取得し、画面に表示する一連の操作を行う
  1. Culling
  2. Rendering
  3. Post Processing
• 機能や性能が異なる 3 つの Built-in RenderPipeline に加え、自作 RenderPipeline も使用可能
  • Buit-in RenderPipeline
    • "S"RP（スクリプタブル・レンダーパイプライン）
    • "U"RP（ユニバーサル・レンダーパイプライン）
    • "HD"RP（HD・レンダーパイプライン）
      • Nintendo Switch, iOS, Android, Mobile VR, Hololens への使用は非推奨
  • "C"RP（カスタム・レンダーパイプライン）

実行時に active な RenderPipeline を変更すると、即座に対象 RenderPipeline を使用して contents を Rendering する

Rendering Path（レンダリングパス）は、Lighting と Shading に関連する一連の操作のこと

• Rendering Path が異なると、機能とパフォーマンス特性も異なる
• どの Rendering Path が Project に最も適しているかは、Project の type と Target Hardware によって異なる

Renderloop

• 1 frame 内で行われる全ての Rendering 操作を意味する
• reference:https://docs.unity3d.com/ja/current/Manual/srp-creating-simple-render-loop.html

Rendering の仕組み

• Scene の Object がどのように表示されるかを 3 つの主要な段階で決定
• 最初の Step は Culling
  • Rendering する必要のある Object、Camera に見える Object と他 Object によって隠されていない Object（Occlusion Culling）を列挙する
• 次の Step は Rendering
  • Culling 済 Object を、適切な Lighting といくつかの property とともに、Pixel base の Buffer に描画する
• 最後の Step は Buffer に対する PostProcess 操作
  • 例えば、Color Grading、Blume、被写界深度を適用して、「display device に送信する最終的な出力 frame」を生成する

上記一連の操作は、 frame rate に応じて、1 秒間に何度も繰り返される

設定方法

• Graphics と Quality の両方の設定によって active な RenderPipeline が決まる

setting	description
Graphics	default で使用する RenderPipeline
Quality	特定の Quality level に対して、指定した RenderPipeline で Override する

Buit-in RenderPipeline

Graphics Tier

• 異なる性能の Hardware で実行する場合に、様々な Graphics 設定を適用可能
• Unity が最初に Application を load する際に、Hardware と Graphics API を確認した上で、現在の環境がどの Tier に対応しているかを判定

SRP（スクリプタブル・レンダーパイプライン）

reference:https://www.slideshare.net/UnityTechnologiesJapan/gtmf2018tokyoscriptablerenderpipeline

• C# Script を使って Rendering を制御する機能
  • URP と HDRP を支える技術
  • C# Script を使用して Rendering コマンドの schedule と設定を行うための薄い API Layer
    • これらのコマンドを Unity の低 level の Graphics Architecture に渡し、Graphics API に指示を送信する
• IContextObject：データを格納する interface
• IBuildTask：build の処理を担当する interface
  • BuildTaskRunner の Task 一覧に登録した順に Run() が呼ばれる
  • 使用するデータは[InjectContext]で field に自動的に注入される
• BuildTaskRunner：build を実行するクラス

properties	description	note
RenderPipeline Instance	RenderPipeline の機能を定義する class の Instance	RenderPipeline を継承し、Render() を override する必要あり
RenderPipeline Asset	どの RenderPipeline Instance を使用・設定するかについてのデータを保存する Asset	RenderPipelineAsset を継承し、CreatePipeline() を override する必要あり
ScriptableRender Context	RenderPipeline のカスタム C# code と Unity の低 level Graphic code 間の interface として機能する Class

RenderPipeline.Render

• SRP への主要な EntryPoint
• Custom RenderPipeline を書く場合は、ここから code を書き始める

URP（ユニバーサル・レンダーパイプライン）

• URP はアーティスト向けの Workflow を提供し、mobile からハイエンドの Console や PC まで、幅広い platform で最適化された Graphics を素早く簡単に作成

HDRP（HD レンダーパイプライン）

• Highend Platform 向けの最先端の忠実度の高い Graphics を作成可能

CRP（カスタムレンダーパイプライン）

• SRP に基づいた独自のカスタム RenderingPipeline

使用する際に必須となるもの

RenderPipeline Instance

• 「RenderPipeline」を継承し Render() を override した Script
• ここにカスタムの Rendering code を記述する

RenderPipeline Asset

• 「RenderPipelineAsset」を継承し CreatePipeline() を override した Script

RenderPipeline Asset（RenderPipelineAsset Script から作成）

• RenderPipelineAsset Script から作成
• RenderPipeLine Instance の Factory class として機能

details

ExampleRenderPipelineAsset.cs

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;

// CreateAssetMenu 属性によって Unity Editor にて、このクラスの instance の作成が可能になる
[CreateAssetMenu(menuName = "Rendering/ExampleRenderPipelineAsset")]
public class ExampleRenderPipelineAsset : RenderPipelineAsset
{
  // 最初の frame を 　Rendering　する前に、Unity によってこの method が呼び出される
  //　RenderPipeline Asset の設定が変更された場合は、Unity は現在の RenderPipeline Instance を破棄し、次の frame をRendering する前に再度、このメソッドを呼び出す
  protected override RenderPipeline CreatePipeline() {
    // このカスタムの SRP が Rendering のために使う RenderPipeline を instance 化
    return new ExampleRenderPipelineInstance();
  }
}

ExampleRenderPipelineInstance.cs

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;

public class ExampleRenderPipelineInstance : RenderPipeline
{
  public ExampleRenderPipelineInstance() {
  }

  protected override void Render (ScriptableRenderContext context, Camera[] cameras) {
    // ここにカスタム Rendering code を記述（SPR をカスタマイズするために、この method をカスタマイズする）
  }
}

Lighting

mode

properties	description
Baked	- Light からの直接光と間接光を Light Map に Bake する - Runtime コストなし
RealTime	- 直接照明と影は RealTime であるため、Light Map には Bake されない - Runtime コストが高い
Mixed	Bake と RealTime の特徴を組み合わせた hybrid mode

Rendring Path

• Rendering Path は、Lighting と Shading に関連する一連の操作のこと
• Graphics Window で選択

Camera 毎に Path を Override 可能

Forward Rendering（フォワードレンダリング）

• Default
• RealTime の Light は、Forward Rendering で描画するには非常に負荷がかかる
• このコストを相殺するために、Unity が「一度に Pixel ごとに Rendering する Light の数」を選択する
  • Scene の残りの Light は「頂点 または Object 毎」など、より低い忠実度で描画される
  • 各 Object を 1 つ、または複数の Path で描画
    • Path 数は Object に作用する Light によって決定

推奨ケース

• Project 内で大量の RealTime Light を使用しない
• Project にとって Lighting の忠実度が重要でない

Performance 対策

• Per-pixel lights
  • 影響する全ての pixel に Rendering 作業が追加されてしまう
  • 処理能力の低い Device では、Object を複数の pixel lights で照らすことは避け、Light Map を使用して静的な Object を Lighting するようにする
  • すべての Light には Render Mode 設定があり、Important または Not Important に設定可能（Not Important に設定されたLight の Rederning オーバーヘッドは低くなる）
• Spherical Harmonics lights
  • 球面調和 Light は小さい動的 Object に積極的に使う（非常に速く Rendering & CPU のコストはほぼゼロ）

Deferred Shading（遅延）

• Buit-in RenderPipeline で最も Light と影の忠実度が高い Redering Path
• GPU サポートを必要とし、いくつかの制限がある
  • 以下は対象外
    • 半透明の Object（Forward Rendering 使用）
    • 平行投影（Camera に Forward Rendering 使用）
    • Hardware のアンチエイリアス
      • Post Processing を使用して同様の結果を得られる
  • CullingMask のサポートに制限があり、Renderer.receiveShadows フラグを常に true として扱う
• Lighting の処理オーバーヘッドは、Object を照らす数に関係なく、「Scene の中の Light の volume の size」によって決定される
  • したがって、パフォーマンスは Light を小さくすることによって向上する

処理負荷は「Scene の中の Light の volume の size」によって決定

推奨 case

• Project で多数の RealTime Light を使用する
• 高 level の Lighting 忠実度が必要である

「半透明の Object」には適用不可

mobile 対象外

• 大抵 MRT 形式が使用されているため

Command Buffer

• Rendering Command（Redner Target の設定や、指定した Mesh の描画など）のリストが格納されてる
  • Built-in RenderPipeline の様々な時点でスケジュールして実行するように Redering 機能をカスタマイズして拡張可能

Material

• Unity で何かを描くには、以下2つの情報が必要
  • 形状（Mesh）
  • 表面の外観（Material）
• Material と Shader は密接な関係にあり、Material は常に Shader と一緒に使われる

Advanced Options

options	description	note
Render Queue	Render Queue の選択	Render Queue の Default 値は Material の Shader が決定
Enable GPU Instancing	Material を使用する Mesh の Draw call を最適化する
Double Sided Global Illumination	Progressive Light Mapper に Global illumination の計算に際して裏面を考慮するよう指示する	有効にすると 裏向き Polygon が前向き Polygon と同じ emission 値 及び albedo 値を使用して光を反射させる

albedo

• 物体表面で反射される光の割合のこと

Material Variant

• 1 つのゲームのために何百もの Material を作成することがあり、これらの Material の変更の管理や調整は非常に手間のかかる作業である
• Material Variant を使うことで、簡単に行うことが可能

copy vs variant

• 変更された場合

type	result
copy	変更が加えられても自動的に変更され"ない"
variant	親に変更が加わると自動的に変更される

• 変更制限

type	result
copy	制限"不可"
variant	制限可	Material または Material variant の 1 つまたは複数の property を lock して、子 property の修正を防ぐことが可能

Prefab Variant vs Material Variant

• Material Variant では、1 つまたは複数の property を lock して、子 variant 内でその property を編集不可とすることが可能
  • 親は変更可能