Unity URP风扇着色器项目实战：复制Honkai: Star Rail的视觉效果

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简介：Unity URP是Unity提供的高级渲染流水线，该教程涉及创建模仿《Honkai: Star Rail》中独特视觉效果的着色器。项目包含了用于实现非真实感渲染（NPR）的自定义URP着色器和相关资源。学习者将通过C#和.NET框架掌握Unity URP的基础、自定义着色器编写、NPR技术、C#编程、.NET框架应用、资源管理、游戏美术与编程协作及性能优化等关键知识点。

1. Unity URP渲染流水线基础

1.1 URP设计理念与核心组件

URP（Universal Render Pipeline）作为Unity提供的轻量级渲染管线，旨在提供一种高效且易于上手的方式来实现跨平台渲染。它的设计理念着重于为中低端设备提供优化的渲染路径，同时保持了足够的灵活性来满足大多数项目的需求。理解URP的核心组件是成功使用它的关键。这些组件包括URP的渲染器、光照系统、材质和着色器以及其特有的性能优化技巧。在接下来的内容中，我们会逐一探究这些组件，并指导读者如何将URP集成到他们的Unity项目中。

1.2 URP在Unity项目中的设置和使用

首先，在Unity编辑器中安装URP包，可以通过Unity的Package Manager进行。一旦安装完成，你需要创建一个新的URP项目或者将现有的项目转换为URP项目。在项目设置中，选择URP作为渲染管线，然后在Graphics窗口中调整相关设置来适配你的项目需求，如分辨率、阴影质量和后处理效果等。通过对比内置渲染管线(BRP)和URP在性能和视觉效果上的差异，我们能够更好地理解选择URP的原因。此外，我们还会介绍一些关键的优化实践，比如使用轻量级材质、启用MSAA以及如何利用URP的异步计算功能来进一步提升渲染效率。

以下是URP设置的简要步骤：

1. 打开Unity项目，进入Package Manager。
2. 搜索并安装"Universal Render Pipeline"包。
3. 创建新项目时，选择"Universal RP"作为模板；若为现有项目，则转换模板。
4. 在Project Settings中选择URP作为渲染管线。
5. 进行必要的渲染设置和优化调整。

// 示例代码，创建URP资产
using UnityEngine.Rendering.Universal;
using UnityEditor;
using UnityEngine;

public class CreateURPAsset
{
    [MenuItem("Assets/Create/Render Pipeline Asset/Universal Render Pipeline Asset")]
    public static void CreateMyAsset()
    {
        UniversalRenderPipelineAsset asset = ScriptableObject.CreateInstance<UniversalRenderPipelineAsset>();
        AssetDatabase.CreateAsset(asset, "Assets/MyURPAsset.asset");
        AssetDatabase.SaveAssets();
    }
}

以上代码演示了如何通过Unity编辑器脚本创建一个新的URP资产文件，这可以作为将URP集成进项目的第一步。在后面的章节中，我们将深入了解URP的更多高级功能和定制化选项。

2.1 着色器语言基础

2.1.1 着色器语言概述

着色器语言，又称为渲染语言或着色器编程语言，是用于编写着色器的一种特殊的程序设计语言。着色器，作为一种运行在图形处理单元（GPU）上的小程序，负责控制渲染管线中特定阶段的图形操作，包括顶点处理、图元组装、像素着色等。在游戏开发和3D图形应用中，着色器的编写至关重要，因为它决定了最终视觉效果的渲染质量。

随着图形API和硬件的发展，多种着色器语言相继出现，比如HLSL（High-Level Shading Language）、GLSL（OpenGL Shading Language）和Cg（C for Graphics）。Unity URP中使用的是基于HLSL的着色器语言，它为开发者提供了更高效的渲染效果和更好的跨平台兼容性。

2.1.2 Unity着色器基础和HLSL

Unity中的着色器主要通过ShaderLab语言和HLSL来编写。ShaderLab语言提供了一个框架，用于描述着色器的结构和元数据，而实际的图形处理逻辑则使用HLSL编写。HLSL是一种专门为微软Direct3D图形API设计的高级着色语言，它在语法上与C/C++类似，易于编程人员学习和使用。

在Unity中创建一个自定义的URP着色器时，需要首先了解ShaderLab的基本结构，然后深入学习HLSL编写具体的着色器算法。下面是一个简单的Unity着色器模板示例：

Shader "Custom/MyShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        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 _MainTex_ST;
            float4 _Color;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                return o;
            }
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // sample the texture
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

在这个示例中， Properties 块定义了着色器可用的属性，如纹理和颜色。 SubShader 块包含实际渲染所需的代码，使用CG语言（C for Graphics，类似于HLSL）编写。其中 #pragma vertex 和 #pragma fragment 指令定义了顶点着色器和像素着色器的入口函数。 vert 函数负责处理顶点数据，而 frag 函数负责计算最终像素颜色。

了解基础的ShaderLab和HLSL结构之后，接下来我们将深入了解如何通过结构化编程来创建自定义的URP着色器，并通过案例分析来展示如何实现特定的游戏视觉效果。

3. 非真实感渲染（NPR）技术应用

3.1 NPR理论基础

3.1.1 NPR的艺术风格特点

非真实感渲染（Non-Photorealistic Rendering, NPR）是一种艺术风格，它旨在通过计算机图形技术实现不追求真实感的视觉效果。这些效果更接近于传统的艺术形式，如卡通、水墨画、油画等。NPR风格的特点包括：

• 简化的光影效果：NPR中通常不会有复杂的光照模型和真实世界的光影效果，如高光、阴影、反射等。
• 线条的运用：许多NPR技术特别强调轮廓线，这些线条类似于漫画和动画中的勾边效果，增强了图像的辨识度。
• 颜色的平涂处理：色彩多以块面平铺的方式展现，不追求色彩间的渐变和混合，使画面看起来更像手工绘制。

NPR风格因其独特的魅力，在游戏和动画领域具有广泛的应用，尤其是那些希望拥有特定艺术风格的项目。

3.1.2 NPR与真实感渲染的对比

真实感渲染（Photorealistic Rendering）和非真实感渲染是计算机图形学中两种截然不同的方向。真实感渲染力图模拟现实世界的光影效果和物理特性，而NPR则背道而驰，更注重于艺术表现和视觉创意。

真实感渲染对硬件的要求通常更高，因为它需要处理复杂的光照计算和纹理映射。NPR技术由于其简化模型，往往对计算资源的需求较低，这使得它在性能受限的平台上成为一种可行的替代方案。

在实际应用中，NPR不仅可以用来创造有趣的视觉效果，还可以提升游戏的可玩性和艺术风格的统一性。它还经常用于简化场景，降低用户的认知负荷，使其更专注于游戏玩法而非视觉细节。

3.2 NPR技术在Unity URP中的实现

3.2.1 着色器的视觉效果调整

在Unity URP中实现NPR效果，主要的工作在于编写和调整特定的着色器。这涉及到使用Shader Graph或编写HLSL代码来创建自定义的渲染效果。调整视觉效果的几个关键步骤包括：

• 创造轮廓线：通过深度信息和表面法线信息计算轮廓线，并将其应用到材质上。
• 色彩平涂：使用Unity的Shader Graph工具或HLSL编写代码来实现色彩的块状填充，去除颜色间的渐变效果。

这需要对Shader编程有一定的了解。下面是一个简单的Shader片段代码，用于产生轮廓线效果：

// 这是一段使用HLSL编写的片段着色器代码片段，用于产生轮廓线
ColorOutlinePassFragmentShader(float3 worldPos : WORLD_POS)
{
    float3 normal = normalize(_WorldSpaceCameraPos - worldPos);
    float depth = _ProjectionParams.z / worldPos.z;
    float edgeFactor = 1 - abs(dot(normal, _***));
    edgeFactor = saturate(edgeFactor);
    // 应用轮廓线颜色
    float4 outlineColor = float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 黑色轮廓线
    float4 color = float4(0.5, 0.5, 0.5, 1.0); // 填充颜色
    return lerp(color, outlineColor, edgeFactor);
}

上述代码展示了如何基于深度信息和光照方向计算轮廓线，通过边缘因子的计算来确定轮廓线的存在与否，从而在片段着色器中产生相应的视觉效果。

3.2.2 动画和交互中的NPR技术应用

将NPR技术应用到动画和交互中，可以显著提升用户体验。比如，在一个卡通风格的游戏中，可以使用NPR技术来制作角色的表情和动作。在绘制关键帧时，艺术家可以更自由地夸张角色的面部表情和身体动作，以更好地表达情感。

此外，NPR技术可以与Unity的动画系统相结合，通过编写自定义的Shader来控制动画效果。例如，可以让角色的服饰在移动时产生夸张的飘动效果，或者根据角色的动作来动态改变轮廓线的粗细和颜色。

结合动画和交互设计，NPR技术的应用需要编程和美术设计的紧密合作。下表总结了NPR在动画和交互中的一些具体应用场景：

| 应用场景 | 描述 | | --- | --- | | 角色动作 | 使角色动作更加生动夸张，配合夸张的特效和色彩变化 | | 表情变化 | 通过夸张的表情动画来传达角色情绪，增强故事叙述 | | 界面设计 | 创造独特的用户界面元素，如按钮、图标和背景 | | 场景互动 | 根据玩家与环境的互动，动态改变视觉效果 |

通过这样的技术应用，非真实感渲染不仅提升了游戏的艺术表现力，也为玩家提供了丰富的视觉享受和情感体验。

4. C#编程在Unity中的实践

4.1 C#基础语法和Unity API

4.1.1 C#基础语法回顾

C#作为Unity开发中最主要的编程语言，是所有想要深入Unity开发的开发者的基石。它是一种现代、面向对象的编程语言，具有丰富的数据类型、控制流语句和面向对象的特性。

首先，让我们回顾一些关键的C#基础语法点：

• 数据类型 ：包括基础数据类型（如int、float、bool等）和复杂数据类型（如class、interface等）。
• 变量和常量 ：变量用来存储数据，而常量则存储不会改变的数据。
• 运算符 ：包括算术运算符、关系运算符和逻辑运算符等，用于执行计算或比较操作。
• 控制流语句 ：如if语句、循环（for、while、do-while）等，用于基于条件或重复执行代码块。
• 数组和集合 ：用于存储和管理一组数据。
• 异常处理 ：通过try-catch语句处理可能发生的错误或异常。

理解这些基础知识对于编写有效和高效的C#代码至关重要。在Unity中，这些基础知识将帮助你创建游戏逻辑、管理游戏状态和响应用户输入。

4.1.2 Unity API的使用和实践

Unity API是Unity提供的一个功能强大的编程接口集合，允许开发者通过C#与Unity引擎交互，实现各种复杂的游戏功能。Unity API分为多个类别，例如：

• GameObject类 ：这是Unity中所有游戏对象的基类，可以用来创建和管理游戏对象。
• Transform类 ：用于处理对象的位置、旋转和缩放。
• Component类 ：所有Unity组件的基类，用于添加和访问各种组件。
• Input类 ：用于处理输入事件，如键盘、鼠标和游戏手柄事件。
• Physics类 ：用于处理物理相关的交互，例如碰撞检测和刚体操作。

为了更好地理解如何使用Unity API，我们来看一个简单的代码示例，展示如何在Unity脚本中使用Input类来控制一个游戏对象的移动：

using UnityEngine;

public class PlayerController : MonoBehaviour
{
    public float speed = 5.0f;

    void Update()
    {
        float moveHorizontal = Input.GetAxis("Horizontal");
        float moveVertical = Input.GetAxis("Vertical");

        Vector3 movement = new Vector3(moveHorizontal, 0.0f, moveVertical);

        transform.Translate(movement * speed * Time.deltaTime);
    }
}

在这段代码中，我们首先包含了 UnityEngine 命名空间，它包含了大多数Unity API。 PlayerController 类继承自 MonoBehaviour ，允许我们创建一个脚本组件并将其附加到Unity游戏对象上。 Update 方法在每一帧调用一次，用于获取水平和垂直输入轴，并将它们转换为一个 Vector3 表示移动向量。然后，我们使用 transform.Translate 方法将游戏对象在空间中移动。

此代码段中的 Time.deltaTime 用于确保无论游戏的帧率如何变化，游戏对象的移动速度保持一致。

4.1.3 Unity API进阶使用技巧

除了基础的API使用之外，Unity开发者经常会用到一些更高级的技巧来优化他们的代码和游戏性能：

• 协程（Coroutines） ：用于在不阻塞主线程的情况下执行延时操作或等待任务完成。
• 事件系统（Event System） ：用于创建和管理游戏内的事件驱动逻辑，如按钮点击。
• 委托和事件（Delegates and Events） ：用于实现订阅者模式，当特定事件发生时通知多个对象。
• LINQ查询 ：使用LINQ (Language Integrated Query) 来简化对Unity集合数据的查询。

掌握了这些基础和进阶的使用技巧后，你将能更熟练地使用C#和Unity API来构建复杂的游戏逻辑和功能。在下一节中，我们将深入了解C#在游戏开发中的高级应用，包括面向对象编程和脚本与游戏引擎的交互。

5. 框架在游戏开发中的应用

在这一章节中，我们将探讨Unity游戏开发中的框架应用，重点关注资源管理、加载技术以及与游戏美术的协同作业流程。另外，我们还将深入分析渲染性能优化技巧，从而提升游戏的质量和运行效率。

5.1 Unity资源管理与加载技术

资源管理是游戏开发中一个至关重要的部分，它影响到游戏的加载时间、内存使用以及整体性能。通过优化资源管理，我们可以确保资源在需要时能够以最佳方式加载到游戏中。

5.1.1 资源加载策略

Unity支持多种资源加载策略，开发者可以根据实际需要选择最合适的方法：

• 即时加载（On-Demand Loading） ：资源在实际需要时才加载，可以减少游戏启动时间，但可能会导致玩家在加载资源时有明显的等待感。
• 预加载（Preloading） ：在游戏开始前或在特定时刻预先加载资源，可以避免运行时的加载延迟，但会增加游戏的内存占用。
• 按需加载与预加载的混合策略 ：结合即时加载和预加载的优点，只预加载关键资源，其他资源则按需加载。

// 示例：资源的预加载
public void PreloadAssets()
{
    // 预加载一个资源
    StartCoroutine(PreloadRoutine("Assets/Resources/Model.prefab"));

    // 预加载多个资源
    StartCoroutine(PreloadRoutine("Assets/Resources/Texture1.png"));
    StartCoroutine(PreloadRoutine("Assets/Resources/Texture2.png"));
}

private IEnumerator PreloadRoutine(string assetPath)
{
    var request = AssetBundle.LoadAssetAsync<GameObject>(assetPath);
    yield return request;
    // 资源加载完成后的处理
}

5.1.2 预加载与延迟加载的实现

延迟加载是在游戏运行过程中，根据实际需求动态加载资源。它通常用于加载大型资源或者游戏的后期内容，以避免游戏启动时的长时间等待。

// 示例：延迟加载
private void LoadAsset(string assetPath)
{
    StartCoroutine(LoadAssetRoutine(assetPath));
}

private IEnumerator LoadAssetRoutine(string assetPath)
{
    ResourceRequest request = Resources.LoadAsync<GameObject>(assetPath);
    yield return request;
    // 资源加载完成后的处理
    GameObject loadedAsset = request.asset as GameObject;
    // 使用加载的资源
}

延迟加载的策略需要精心设计，以确保游戏运行流畅，且不会因为加载而造成游戏体验的下降。

5.2 游戏美术与编程协同作业流程

游戏开发中美术和编程的协同作业是高效开发的关键。通过合理的工作流程，可以提高团队的协作效率，减少沟通成本，并确保项目的顺利进行。

5.2.1 美术资源的导入和优化

美术资源在导入Unity之前需要进行优化，以适应游戏的需求。常见的优化措施包括：

• 压缩纹理 ：使用合适的压缩格式，减小纹理大小。
• 网格优化 ：减少不必要的网格面数，合并可以合并的网格。
• 动画优化 ：仅保留动画关键帧，使用LOD（Level of Detail）技术。

导入优化后的美术资源后，Unity中的脚本可以进一步控制资源的加载和卸载，从而优化内存使用和提升性能。

5.2.2 编程与美术协作的流程管理

协作流程的管理包括版本控制、资源更新流程、日常沟通机制等方面。采用敏捷开发模式和持续集成流程，可以有效提升协作效率。

• 版本控制 ：使用Git、SVN等工具进行版本控制，确保团队成员间的代码和资源同步。
• 资源更新流程 ：美术资源更新后，需要有明确的测试流程，确保更新不会影响游戏的现有功能。
• 沟通机制 ：设立定期会议，及时解决协作中遇到的问题。

5.3 渲染性能优化技巧

游戏的渲染性能是影响用户体验的关键因素。通过分析渲染流程并采用优化技巧，可以显著提升游戏性能。

5.3.1 渲染流程分析与优化

渲染流程分析通常涉及剔除不必要的渲染调用和优化渲染状态切换。具体技巧包括：

• 遮挡剔除 ：不渲染被遮挡的物体，减少渲染调用。
• 渲染批处理 ：合并可以合并的渲染调用，减少Draw Call。
• 状态缓存 ：保持渲染状态不变，避免不必要的状态切换。

// 示例：渲染批处理
public class RenderBatcher : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        CombineMeshes(); // 将多个网格合并为一个网格
    }

    private void CombineMeshes()
    {
        // 合并逻辑，这里用伪代码表示
        // CombineMesh(mesh1, mesh2, mesh3);
    }
}

5.3.2 URP中性能优化的实践技巧

URP提供了许多性能优化的选项，合理利用这些选项可以提高渲染效率：

• 使用URP内置的剔除功能 ：例如使用 CullingResults 进行动态剔除。
• 使用后处理效果优化 ：例如动态模糊、曝光等效果可以在URP中高效实现。
• 调整材质设置 ：使用轻量级材质，比如简化材质的光照模型。

// 示例：使用URP进行性能优化
public class PerformanceOptimization : MonoBehaviour
{
    private void Update()
    {
        // 开启或关闭特定的URP渲染特性
        // RenderPipelineManager.BeginFrameRendering(null, cameraData);
        // RenderPipelineManager.EndFrameRendering(null, cameraData);
    }
}

通过上述的分析和实践，我们可以将理论与实际操作相结合，将框架应用到游戏开发中，从而优化开发流程和提升游戏质量。

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简介：Unity URP是Unity提供的高级渲染流水线，该教程涉及创建模仿《Honkai: Star Rail》中独特视觉效果的着色器。项目包含了用于实现非真实感渲染（NPR）的自定义URP着色器和相关资源。学习者将通过C#和.NET框架掌握Unity URP的基础、自定义着色器编写、NPR技术、C#编程、.NET框架应用、资源管理、游戏美术与编程协作及性能优化等关键知识点。

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