The Lab Renderer学习笔记

前言

Unity Vision VR/AR Summit来到中国了（http://www.bagevent.com/event/197605?bag_track=http://www.bagevent.com/event/197605   ），最近也关注了一下Unity的VR开发。

大概是6月份看到新闻：Steam发布了The Lab所使用的渲染器的所有源代码。我一直挺好奇的，对于Unity3D这样不开源的引擎，如果搞一个渲染器呢？今天有时间读一下代码，一探究竟。

相关链接：
- 官方帖子：http://steamcommunity.com/games/250820/announcements/detail/604985915045842668
- GitHub下载：https://github.com/ValveSoftware/the_lab_renderer
- Unity Asset Store下载：https://www.assetstore.unity3d.com/en/#!/content/63141

特性&实现

从GitHub下载了The Lab Renderer之后，粗略的浏览一遍，内容不多，主要是几个组件的C#代码和一些Shader。接下来就看看它的主要特性是怎么实现的。

Single-Pass Forward Rendering

The Lab Renderer使用Forward Rendering的原因主要是为了MSAA(MultiSampling Anti-Aliasing)和效率。然而Unity默认的Forward Rendering使用了Multi-Pass来渲染所有灯光（每个物体的每个动态灯要多一个Pass来渲染它的光照），The Lab Renderer提供了一个单Pass渲染多个灯光的解决方案。

为了实现Single-Pass Forward Rendering，首先要在Player Settings做一些设置，如上图所示。所谓的“Single-Pass”主要靠Shader来实现了。大体思路就是在“vr_lightng.cginc”这个shader文件中定义了一系列灯光参数的数组：

#define MAX_LIGHTS 18
...
float4 g_vLightColor[ MAX_LIGHTS ];
float4 g_vLightPosition_flInvRadius[ MAX_LIGHTS ];
float4 g_vLightDirection[ MAX_LIGHTS ];

然后使用一个for循环，一次性计算所有灯光的光照：

LightingTerms_t ComputeLighting( float3 vPositionWs ...)
{
    [ loop ] for ( int i = 0; i < g_nNumLights; i++ )
    {}
}

接下来就是在C#层来处理灯光信息了。

• 首先，需要为每个Unity中的灯光对象添加“ValveRealtimeLight.cs ”脚本，class ValveRealtimeLight管理一个静态变量“List< ValveRealtimeLight > s_allLights”用来簿记所有的灯光数据。

• 然后，需要在Main Camera对象上添加“ValveCamera.cs”脚本。在class ValveCamera.UpdateLightConstants()成员函数中，会计算所有的灯光相关的参数，并设置到Shader的常量中。

  以上就是The Lab Renderer的Single-Pass Forward Rendering这个特性的实现思路。

Shadows

The Lab Renderer还接管了阴影的渲染。需要在Unity的Quality->Shadows settings 中选择“Disable Shadows”来关闭Unity默认的阴影。

如上图所示，The Lab Renderer使用Shadow Mapping的算法来生成实时阴影。这个算法粗略的过程是这样的：

1. 从灯光的角度渲染一个深度缓冲。这个深度缓冲的几何意义，可以粗略的理解为每个像素点到灯光最近的距离；这个深度缓冲又被成为Shadow Buffer或者Shadow Map。
2. 在渲染Back Buffer的时候，对于每个需要着色的点，将其“投影”（Projection）到上述的Shadow Map空间，然后进行比较，来判断这个点是不是离灯光最近—-也就是有没有被其他物体遮挡，即在阴影之中。
3. 生成Shadow Buffer的渲染，对于Spot Light非常直观啦；对于方向光，The Lab采用了近似的方法：将方向光替换成一个“非常远”的点光源；对于点光源，The Lab使用6个假的Spot Light来替代。0_0|||

上述算法的流程控制，在ValveCamera.cs脚本中实现。首先它需要一个从灯光角度渲染的Camera、一个RenderTexture用做Shadow Map，还需要一个Shader来进行Shadow Map渲染（Resources/vr_cast_shadows.shader）。

[ExecuteInEditMode]
[RequireComponent( typeof( Camera ) )]
public class ValveCamera : MonoBehaviour
{
    ...
    [NonSerialized] private Camera m_shadowCamera = null;
    [NonSerialized] public RenderTexture m_shadowDepthTexture = null;
    [NonSerialized] public Shader m_shaderCastShadows = null;
    ...
}

在ValueCamera.OnPreCull()脚本回调函数中会调用ValueCamera.ValveShadowBufferRender()来渲染Shadow Buffer。如上图的Shadow所示，The Lab把所有灯光渲染到了一个整体的Shadow Buffer之中，把每个灯光Shadow Buffer对应的区域，存储到Shader参数“g_vShadowMinMaxUv”之中。这样在前面讲的Single-Pass Forward Rendering过程中，就可以在一个Pass实现所有灯光的光影计算了。

至于vr_cast_shadows.shader的内容，就很简单了，它核心就是一个Vertex Shader，用来计算Projection之后的Position坐标就好，UV啊什么之类的都可以省略掉了。

在灯光渲染的Shader中（vr_lighting.cginc）通过ComputeShadow_PCF_3x3_Gaussian()函数来计算阴影。所谓的PCF就是Percentage Closer Filter，为的是产生阴影的边缘柔滑效果。在这个函数中，它才算有了高斯过滤来对目标点周围的3x3范围进行计算。

Adaptive Quality

对于VR来说，帧速率是非常重要的，所以Valve的大牛就添加了这个特性：动态调节渲染质量，达到稳定的搞效率，这是他在GDC 2016上的一个演讲：https://www.youtube.com/watch?v=eIlb688pUu4
这部分主要涉及到何时去调节质量，调节哪些地方（哪些是不能随便调的），具体的逻辑都在ValveCamera.UpdateAdaptiveQuality()这个函数里了。