从零开始的SRP学习（二）

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Jun 8, 2026

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Catlike Coding Custom SRP 第二章 Draw Calls 学习笔记，按 Shader、Batching、Transparency 三部分整理 Unlit Shader、SRP Batcher、GPU Instancing、Dynamic/Static Batching、贴图、透明混合和 Alpha Clipping。

Draw Calls

这篇是 Catlike Coding Custom SRP 系列第二章 Draw Calls 的学习笔记。第一章我们先把一条最小的 SRP 跑了起来：创建管线资源、遍历相机、剔除、清屏、画天空盒、画不透明和透明物体。到了这一章，重点从“怎么调 Unity 的绘制接口”进一步推进到“这些对象到底是怎么被 Shader 画出来的，以及怎样减少 Draw Call 的成本”。

这一章可以分成三块：

第一部分写一个真正属于 Custom RP 的 Unlit Shader。

第二部分支持 SRP Batcher、GPU Instancing、Dynamic Batching，并理解它们的区别。

第三部分让同一个 Unlit Shader 支持透明、贴图和 Alpha Clipping。

第二章开始，我们要自己决定 Shader 的结构、材质属性怎么进 GPU、哪些对象能合批、透明材质应该怎么混合。

1. Shaders：写一个自己的 Unlit Shader

一次 Draw Call 里，CPU 不只是告诉 GPU “画哪个 Mesh”，还要告诉 GPU “怎么画”。Mesh 提供顶点和三角形，Shader 决定顶点怎么变换、片元输出什么颜色，以及材质属性、矩阵、贴图这些数据怎么被使用。

Unity 的 URP / HDRP 可以用 Shader Graph 生成 Shader，但我们这个 Custom RP 暂时不支持 Shader Graph，所以这一章从手写 HLSL 开始。

Unlit Shader：最小 ShaderLab 结构

先创建一个 Custom RP/Unlit Shader。Shader 文件外层是 ShaderLab 语法，不是 HLSL。最小结构是：

这里的层级可以这么理解：

Shader "Custom RP/Unlit" 决定材质面板 Shader 下拉菜单里的路径。

Properties 用来暴露材质属性，比如颜色、贴图、透明参数。

SubShader 是一套具体实现。

Pass 是一次具体绘制方式。

一开始 Pass 为空也能编译，默认会把物体画成白色。材质面板里能看到 Render Queue 默认是 2000，也就是 Opaque 队列。

HLSL Programs：顶点程序和片元程序

真正的 GPU 程序写在 Pass 里的 HLSLPROGRAM 和 ENDHLSL 中间。

一次最基础的 Mesh 绘制至少要有两个程序：

Vertex Shader：处理顶点，把对象空间顶点变换到裁剪空间。

Fragment Shader：处理片元，决定最后输出什么颜色。

用 #pragma 指定这两个函数：

为了让 .shader 文件只负责 ShaderLab 框架，把 HLSL 函数拆到单独的 UnlitPass.hlsl 文件里：

这样后面代码变多之后比较清楚：.shader 负责声明材质属性、Pass 状态和编译指令；.hlsl 负责顶点和片元逻辑。

Include Guard：避免 HLSL 重复包含

HLSL 的 #include 不是 C# 的 using，它更像是把另一个文件的内容直接复制到当前位置。如果同一个文件被重复 include，就可能出现重复定义。

所以 UnlitPass.hlsl 里需要 include guard：

这里的意思是：如果 CUSTOM_UNLIT_PASS_INCLUDED 还没有定义，就定义它并编译中间的代码；如果已经定义过，就跳过。

Shader Functions：先让 Shader 有合法输出

一开始可以先写两个空函数，但它们不能真正画出正确结果。片元函数需要返回颜色，顶点函数需要返回裁剪空间位置。

片元函数返回 Render Target 颜色，用 SV_TARGET 语义：

float4 的四个分量是 RGBA。这里 return 0.0 会扩展成四维 0，也就是黑色。

顶点函数返回位置，用 SV_POSITION 语义：

语义不是注释，而是在告诉 GPU 这个值要接到渲染管线的哪个位置。

SV_POSITION 表示这是裁剪空间顶点位置

SV_TARGET 表示这是要写入 Render Target 的颜色

Space Transformation：对象空间到裁剪空间

Mesh 顶点原本在对象空间里，所以顶点函数需要接收对象空间坐标：

但这样还不够。SV_POSITION 需要的是齐次裁剪空间位置，而不是对象空间位置。正确的变换链路是：

最开始可以自己在 ShaderLibrary/UnityInput.hlsl 里声明 Unity 提供的矩阵：

然后在自己的 Common.hlsl 里封装空间变换：

顶点函数就变成：

这里和第一章的 C# 流程刚好接上。第一章里 context.SetupCameraProperties(camera) 会设置相机矩阵；这一章 Shader 端真正使用这些矩阵，把每个顶点送到正确的位置。

Core RP Library：使用 Unity 的通用函数

空间变换这种函数太常用，Unity Core RP Library 已经提供了 SpaceTransforms.hlsl。后面更推荐 include 它，而不是一直手写：

不过 Core Library 并不知道我们自定义管线里矩阵变量叫什么，所以需要先把自己的变量映射给它：

Unity 2022 里还需要补一些当前看起来没直接用到的变量，比如 unity_WorldToObject、unity_MatrixV、unity_MatrixInvV、glstate_matrix_projection、unity_prev_MatrixM、unity_prev_MatrixIM 和 unity_WorldTransformParams。

这点一开始容易困惑：明明只想把对象空间转裁剪空间，为什么要补这么多东西？原因是 Core Library 是通用库，它内部的宏和函数会引用这些变量。我们用它，就要给它准备它期望的输入。

unity_WorldTransformParams 用到了 real4，所以自己的 Common.hlsl 还要先 include Unity Core 的 Common.hlsl：

Color：把颜色做成材质属性

现在 Shader 已经能把物体画到正确位置了，但片元颜色还是硬编码的。比如：

这样所有材质都会是同一个颜色。更合理的做法是用材质属性。

ShaderLab 的 Properties 里添加：

HLSL 里声明并使用：

这样就能用同一个 Shader 创建多个材质，每个材质有不同颜色。这里也能看出 Shader 和 Material 的关系：Shader 定义怎么画，Material 保存这次要用哪些参数画。

2. Batching：减少 Draw Call 成本

到这里，每个物体都能正常画出来了。但如果场景里放 76 个球，每个球都单独提交一次 Draw Call，就会看到大量 draw。即使每次发送的数据不多，这仍然是最直接、也最低效的方式。

Batching 的目的就是减少 CPU 和 GPU 之间的通信成本。这里要注意一点：不同 Batching 技术优化的问题不一样，有些真的减少 Draw Call 数量，有些只是让每个 Draw Call 更轻。

SRP Batcher：让 Draw Call 更轻

SRP Batcher 是 SRP 里的基础 CPU 优化。它不一定减少 Draw Call 数量，而是减少每次提交 Draw Call 时 CPU 需要设置的 Shader 数据。

普通情况下，每画一个物体，CPU 都要设置材质属性、对象矩阵、Shader 常量等状态。SRP Batcher 会把兼容 Shader 的材质数据缓存在 GPU 上，后续 Draw Call 只需要引用对应数据的位置，不用每次完整重传。

所以它可以理解成：

要让 Shader 兼容 SRP Batcher，所有材质属性必须放在 UnityPerMaterial constant buffer 里。原来的全局 _BaseColor 要改成：

和每个 draw 相关的 Unity 输入要放到 UnityPerDraw：

unity_LODFade 当前没有直接用，但 Unity 要求同一组 per-draw 数据保持完整布局，所以也要放进去。

管线侧还要开启 SRP Batcher：

开启后，Frame Debugger 里可能会看到一个 SRP Batch。这不代表真的只有一个 Draw Call，而是一串经过 SRP Batcher 优化的 Draw Call。

Many Colors：MaterialPropertyBlock 的便利和代价

如果只是四种颜色，可以做四个材质。SRP Batcher 仍然可以工作，因为这些材质使用的是同一个 Shader Variant，材质数据布局一致。

但如果想让每个球都有不同颜色，给每个球都创建一个材质就不太方便。教程里创建了 PerObjectMaterialProperties 组件，用 MaterialPropertyBlock 给 Renderer 设置 per-object 的 _BaseColor。

核心代码是：

OnValidate 会在编辑器里加载或修改组件时调用，所以颜色能立刻更新。Awake 是为了 build 里也能生效，因为 OnValidate 只属于编辑器行为。

但这里有一个重要结论：MaterialPropertyBlock 会让这些对象退出 SRP Batcher。因为 SRP Batcher 依赖稳定的材质数据缓存，而 per-object material property 会让每个对象都带一份不同属性。

所以这一步得到的经验是：

如果大量相同物体需要不同颜色，更适合用 GPU Instancing。

GPU Instancing：大量相同物体一次画

GPU Instancing 是另一种减少 Draw Call 的方式。它适合大量相同 Mesh、相同 Material 的对象。CPU 把每个实例的 transform 和实例属性整理成数组发给 GPU，GPU 根据 instance id 画出多个对象。

它和 SRP Batcher 的区别很关键：

先在 Shader Pass 里打开 instancing variant：

这会让 Unity 编译两个版本：一个支持 instancing，一个不支持。材质面板也会出现 Enable GPU Instancing 开关。

然后在自己的 Common.hlsl 里 include：

UnityInstancing.hlsl 会让相关矩阵和属性在 instancing variant 下从数组里读取。但它需要知道当前正在画第几个实例，所以顶点输入要改成结构体，并加入 instance id。

顶点函数里取出 instance id：

如果片元函数也要访问实例属性，比如每个实例不同颜色，就要把 instance id 从顶点阶段传到片元阶段。所以顶点输出也改成结构体：

顶点函数大致变成：

材质属性也要改成 instancing buffer。这里不是和 CBUFFER_START(UnityPerMaterial) 同时写，而是替换成：

访问时用：

这里我之前最容易搞混的一点是：UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(UnityPerMaterial) 替换掉原本的 CBUFFER_START(UnityPerMaterial) 后，非 instancing variant 仍然可以保持 SRP Batcher 需要的布局；instancing variant 才会走实例数组。不能在同一个 HLSL 里把 _BaseColor 同时写进普通 CBUFFER 和 instancing buffer，否则会重定义。

管线侧还要允许 instancing：

GPU Instancing 只会合并相同 Mesh 和相同 Material 的对象。如果 24 个球用了四个材质，就可能变成四个 instanced draw；如果它们都用同一个材质，通过 instance property 改颜色，就能合得更好。

Drawing Many Instanced Meshes：手动绘制大量实例

当对象数量上百上千时，GPU Instancing 的优势更明显。教程里创建了 MeshBall，不真的生成 1023 个 GameObject，而是准备 1023 个矩阵和颜色数组，然后直接调用 Graphics.DrawMeshInstanced。

字段大概是：

Awake 里随机生成位置和颜色：

Update 里创建 property block，把颜色数组传给 GPU，然后画实例：

这里有几个注意点：

Graphics.DrawMeshInstanced 不需要场景里真的有 1023 个 Renderer。

每批最多实例数量受平台和数据量限制，教程里使用 1023。

这一批整体可以被视锥剔除，但内部每个实例不会单独排序和单独剔除。

实例绘制顺序就是数组顺序。

Dynamic Batching：运行时合并小 Mesh

Dynamic Batching 是更老的合批技术。它会在运行时把多个使用相同材质的小 Mesh 合并成一个更大的 Mesh，再提交给 GPU。

它确实能减少 Draw Call，但代价是 CPU 每帧需要处理顶点数据。所以它只适合非常小的 Mesh。球体通常顶点太多，不适合；cube 这种简单网格更容易看到效果。

在 DrawingSettings 里可以控制：

如果想观察 Dynamic Batching，还要注意 SRP Batcher 会优先生效，所以可以临时关掉：

Dynamic Batching 的限制比较多：

只适合小 Mesh。

通常要求相同 Material。

不适合 per-object material properties。

不同缩放可能让合并后的法线不再保证单位长度。

多个对象变成一个大 Mesh 后，绘制顺序也会发生变化。

所以实际项目里，我会把它看成补充手段，而不是主要优化手段。

Static Batching：提前合并静态物体

Static Batching 和 Dynamic Batching 思路类似，但它不是每帧临时合并，而是针对标记为 batching static 的静态物体提前处理。

它适合建筑、地面、墙面、固定道具这种不会移动的对象。代价是需要更多内存和存储，因为 Unity 可能会复制和重组 Mesh 数据。

这一点对 Custom RP 来说不需要额外写代码。教程里也提到，RP 本身不用关心 Static Batching，它是 Unity 在更外层处理好的。

Configuring Batching：把开关暴露到管线资源

不同项目、不同平台、不同场景下，哪种合批方式更适合并不固定。所以教程最后把这些选项做成配置，而不是写死。

CameraRenderer.DrawVisibleGeometry 接收两个参数：

CustomRenderPipeline 保存配置，并控制 SRP Batcher：

CustomRenderPipelineAsset 里暴露 Inspector 开关：

到这里，Batching 部分的理解可以总结成：

3. Transparency：透明、贴图和裁剪

前面写出来的 Unlit Shader 只能稳定处理不透明材质。即使把 _BaseColor 的 alpha 改成 0.5，物体也不会自动变透明；即使把 Render Queue 改成 Transparent，也只是改变绘制顺序，不会改变混合方式。

透明材质至少涉及三件事：

Blend：当前片元如何和已经画好的颜色混合。

ZWrite：透明物体要不要写入深度。

Render Queue / Sorting：透明物体什么时候画、按什么顺序画。

Blend Modes：控制颜色混合

不透明渲染的默认行为是：当前片元直接覆盖之前的颜色。透明渲染则需要把当前颜色和目标颜色混合。

先在 Shader Properties 里加入源和目标 Blend 模式：

默认值 One 和 Zero 表示普通不透明：

标准半透明通常用：

也就是：

在 Pass 里用 ShaderLab 的旧语法引用属性：

这里能看出来，透明不是单纯改 alpha。alpha 只是参与混合的参数，真正让它生效的是 Pass 的 Blend 状态。

Not Writing Depth：透明通常不写深度

透明物体通常不写深度，因为它后面的东西仍然需要被看到。如果一个半透明物体写了深度，后面再画的透明物体或背景可能会被深度测试挡掉，结果就不对。

所以再加入 _ZWrite 属性：

Pass 里使用：

Opaque 材质通常是：

Transparent 材质通常是：

这也和第一章里分开绘制 opaque 和 transparent 接上了。透明物体要放在不透明和天空盒之后画，并且通常按从后往前排序。

Texturing：加入 Base Map

只有纯色还不够。为了支持带 alpha 的贴图，加入 _BaseMap：

纹理属性后面的 {} 看起来多余，但 Unity ShaderLab 里最好保留，避免一些旧格式相关的问题。

HLSL 里纹理和采样器要声明在全局作用域，因为纹理资源不能做成 per-instance property：

Unity 会自动提供 _BaseMap_ST，里面存的是贴图 tiling 和 offset。它属于材质属性，所以放进 instancing buffer：

顶点输入需要 UV：

顶点输出也要把 UV 传给片元函数：

在顶点阶段应用 tiling 和 offset：

片元阶段采样贴图，并和颜色相乘：

这样 _BaseColor 就像 tint 一样影响贴图颜色。如果贴图的 alpha 不是均匀的，透明也会变成非均匀透明。

Alpha Clipping：用 clip 丢弃片元

透明混合是一种“半透明”。但很多材质并不需要半透明，而是需要镂空，比如树叶、草、铁丝网、栅栏。这种更适合 Alpha Clipping。

Alpha Clipping 的逻辑是：

先加 _Cutoff 属性：

HLSL 里加入 instanced property：

片元函数里先算最终颜色，再裁剪：

clip(x) 的规则是：如果 x <= 0，当前片元被丢弃。所以 base.a - cutoff 正好表达 alpha 是否达到阈值。

Alpha Clipping 和透明混合通常不是一起用。Alpha Clip 材质一般仍然是“不透明”逻辑：保留下来的片元写深度，被丢弃的片元完全不存在。它通常使用 AlphaTest Render Queue，在完全不透明物体之后绘制。

Shader Features：只在需要时启用 clip

clip 会影响一些 GPU 优化，所以不应该让所有材质都执行裁剪逻辑。教程里用 shader keyword 做开关。

Properties 里添加：

Pass 里告诉 Unity 编译 keyword variant：

片元函数里条件编译：

这样关闭 Alpha Clipping 的材质不会执行 clip。打开材质面板里的 Alpha Clipping toggle 后，材质会启用 _CLIPPING keyword，Unity 使用对应的 shader variant。

Cutoff Per Object：每个对象不同裁剪阈值

因为 _Cutoff 也在 UnityPerMaterial instancing buffer 里，所以它也可以被 MaterialPropertyBlock 或 instancing 数据覆盖。

PerObjectMaterialProperties 里可以加：

设置时多写一个 float：

这样不同对象可以有不同颜色和不同裁剪阈值。

Ball of Alpha-Clipped Spheres：让实例球更随机

最后教程把 MeshBall 的随机数据再丰富一点。位置仍然在球形范围内，但旋转和缩放也随机，同时让颜色 alpha 在 0.5 到 1 之间变化：

这里没有给每个实例单独设置 _Cutoff，而是改变每个实例颜色的 alpha，让 base.a - cutoff 的结果产生差异。材质上的 _Cutoff 仍然能统一控制洞的大小。

总结

这一章的主线是：从“能画 Renderer”推进到“能控制 Shader、材质属性、合批和透明材质”。

Shader 部分先搭出 Custom RP/Unlit，理解 ShaderLab 的 Properties -> SubShader -> Pass，再用 HLSL 写顶点和片元函数。顶点阶段负责从 Object Space 转到 Clip Space，片元阶段先输出纯色，再变成材质颜色，后面又加入贴图、UV、透明和裁剪。

Batching 部分主要解决 Draw Call 成本。SRP Batcher 是基础优化，让使用兼容 Shader 的普通 Draw Call 更轻；GPU Instancing 适合大量相同 Mesh 和 Material 的重复物体；Dynamic Batching 是运行时把小 Mesh 临时合并；Static Batching 是提前处理不会动的静态物体。

Transparency 部分说明透明不是只改 alpha。半透明需要 Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha 这类混合状态，通常还要 ZWrite Off 并放到 Transparent Queue；Alpha Clipping 则是用 clip(alpha - cutoff) 丢弃片元，更适合树叶、草、栅栏这类镂空材质，并通过 _CLIPPING shader feature 控制是否启用。

学完这一章之后，Frame Debugger 里看的东西也会更具体：不只是“画了几个物体”，而是要看这些对象是普通 Draw、SRP Batch、Instanced Draw，还是因为透明、裁剪、材质属性而被拆成了不同的绘制路径。

参考

Catlike Coding - Custom SRP: Draw Calls