URP Forward+

在 URP 中，Forward+（前向加） 渲染路径的实现核心在 ForwardLights.cs 脚本中，并借助了 Unity Jobs (Burst 编译) 实现了基于屏幕空间 Tile 和 Z-Bin 的多线程剔除与灯光分配。

1. 数据结构与缓冲区初始化

在 Forward+ 模式下 (m_UseForwardPlus == true)，不再像传统前向渲染那样仅依赖全局的逐物体灯光列表。ForwardLights 会调用 CreateForwardPlusConstantBuffers() 申请专门的 GPU 数据结构：

  • m_ZBins 和 m_ZBinsBuffer：用于按深度 (Z) 切分屏幕空间，记录不同深度范围内的灯光信息。
  • m_TileMasks 和 m_TileMasksBuffer：用于按 2D 网格切分屏幕（即 Tile），掩码（Mask）位用于标记每个屏幕分块里有哪些局部光源或反射探针。
  • 额外实例化了 ReflectionProbeManager 用于统一管理反射探针。

2. 多线程屏幕空间灯光分配 (Clustering Jobs)

在每帧的准备阶段 (PreSetup 中调用 ScheduleClusteringJobs)，URP 避免了在主线程进行昂贵的光照求交测试，而是派发了几个高效的 C# Jobs：

  • TilingJob：并行遍历当前摄像机内的可见光和反射探针。它会将光源的作用范围（点光球体或聚光锥体）投影到相机的视锥体面上，并计算其在 Y 轴和深度上的 Tile 覆盖边界。
  • TileRangeExpansionJob：接收上一步计算的范围，将其展开并合并。它为每个 Tile 生成 uint 位掩码 (tileMasks)。掩码上的每一“位(bit)”代表该 Tile 是否受到某盏特定局部光的影响。

3. 跳过传统逐物体光照索引

传统的前向渲染 (Forward) 会在 CPU 端计算每一个物体具体受哪几盏灯光影响，并把这些索引写进一个 LightIndexMap。

在 ForwardLights.cs 的 SetupPerObjectLightIndices 函数中可以看到：

if (lightData.additionalLightsCount == 0 || m_UseForwardPlus)
    return lightData.additionalLightsCount;

如果启用了 Forward+，引擎直接跳过了生成 GetLightIndexMap 的逻辑。这正是 Forward+ 的核心优势——它将光照分配问题从“逐物体 (Per-Object)”转移到了“屏幕空间分块 (Per-Tile)”上，解决了多光源下由于物体交错导致的光照上限和 CPU 性能瓶颈。

4. GPU 数据上传与宏切换

渲染命令真正执行前（SetupLights 函数中）：

  • 首先调用 m_CullingHandle.Complete() 等待多线程分块剔除任务跑完。
  • 使用 SetData 把 CPU 算好的 m_ZBins 和 m_TileMasks 数组全量压入 GPU 的 Constant Buffer（在 Shader 中体现为 _ZBinBuffer 和 _TileBuffer）。
  • 通过 CommandBuffer 为全局启用 Shader 变体宏。主要关键字为 _CLUSTER_LIGHT_LOOP（旧版兼容标记为 _FORWARD_PLUS）。

URP 的 Forward+ 实现将场景的光照管理变成了类似计算着色器（Compute Shader）中的 Tile-based Light Culling 逻辑，但是它是利用 CPU (Unity Job System + Burst Compiler) 来并行完成灯光视锥体求交的，然后将生成的 Tile 掩码和深度 Bin 以 Constant Buffer 形式提交给 GPU。最后，片段着色器 (Fragment Shader) 只需要根据当前像素的屏幕坐标和深度，查表获取当前 Tile 中受影响的灯光 Mask，只循环处理有影响的光源即可，从而大幅提升了多局部光源场景的渲染性能。

在 Forward+ 实现中，没有使用 Compute Shader (.compute) 来做灯光的裁剪与分块 (Clustering)。它的分块算法（Tile 与 Z-Bin 划分）纯粹是靠 CPU 端的 C# Job System（配合 Burst 编译器）来完成的，正如我们在上一步中看到的 TilingJob 和 TileRangeExpansionJob。

虽然没有使用 Compute Shader 做剔除，但在渲染着色器 (Rendering Shaders) 这一侧，Forward+ 的读取逻辑十分巧妙，这套机制类似于一些现代引擎中通过 Compute Shader 写入的数据结构。以下是渲染 Shader 端如何配合 Forward+ 工作的深度解析：

1. 宏开关：_CLUSTER_LIGHT_LOOP

几乎所有的 URP 标准着色器（如 Lit.shader，ComplexLit.shader，植被和粒子 Shader 等）都包含下面这句变体声明：

#pragma multi_compile _ _CLUSTER_LIGHT_LOOP

当 C# 端启用了 Forward+，就会全局开启这个宏，从而改变 Shader 内部遍历额外光源（Additional Lights）的方式。

2. 核心迭代器：Clustering.hlsl

在 Shader 端解析 Forward+ 数据结构的核心逻辑存放在 Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Clustering.hlsl 中。这里定义了一个非常高效的 ClusterIterator：

A. 空间映射定位

在 ClusterInit 函数中，Shader 需要知道当前正在渲染的像素属于哪个 Tile 和哪个 Z-Bin：

  • 求 Tile Index：根据当前像素的屏幕空间 UV (normalizedScreenSpaceUV) 乘以 Tile 的横纵数量，直接算出当前的 2D 索引。
  • 求 Z-Bin Index：根据当前片元在观察空间 (View Space) 中的深度值 viewZ，映射出一个对数深度的索引 zBinIndex。

B. 数据查表与位运算掩码

CPU 传过来的灯光数据存在全局 Buffer 里面 (urp_Tiles 和 urp_ZBins)，每个灯光分配占据掩码中的一位（1 bit）。 Shader 中将 Tile 的位掩码和 Z-Bin 的位掩码进行**按位与（Bitwise AND）**操作：

it.tileMask = Select4(asuint(urp_Tiles[tileWordIndex / 4]), ...) & 
              Select4(asuint(urp_ZBins[zBinWordIndex / 4]), ...);

得出的 tileMask 中，只要为 1 的位，就代表这盏灯光既投影到了当前像素的 2D 屏幕块内，也落在了当前像素深度的切片范围内，意味着该灯光确实照亮了当前像素。

C. 高效遍历 (ClusterNext)

得到掩码后，Shader 利用内置硬件指令 firstbitlow() 快速找到掩码中最低位的 1（即下一个影响该像素的灯光索引）：

uint bitIndex = firstbitlow(it.tileMask);
it.tileMask ^= (1u << bitIndex); // 清除该位，准备找下一盏灯
entityIndex = ... + bitIndex;

这一步完全避免了无效循环。

3. 光照计算循环 (RealtimeLights.hlsl / Lighting.hlsl)

在传统的前向渲染中，片元着色器 (Fragment Shader) 是通过直接循环当前物体的灯光列表来计算光照的：

// 传统做法（伪代码）
int pixelLightCount = GetAdditionalLightsCount();
for (int i = 0; i < pixelLightCount; ++i) {
    Light light = GetAdditionalLight(i, positionWS);
    // ... 累加光照 ...
}

但在 Forward+ 模式（定义了 USE_CLUSTER_LIGHT_LOOP）下，上面的代码会被替换为：

// Forward+ 做法（伪代码）
ClusterIterator it = ClusterInit(screenUV, positionWS, 0);
uint lightIndex;
while (ClusterNext(it, lightIndex)) {
    Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, positionWS);
    // ... 累加光照 ...
}

在 URP 的 Forward+ 架构中，引擎刻意避开了在 GPU 端使用 Compute Shader 做剔除。这是因为：

  1. 多端兼容性考量： Compute Shader 的支持在低端移动端或部分 WebGL 平台上依然有限。
  2. 利用多核 CPU 的闲置算力：Unity Job System 和 Burst 的性能极高，可以将视锥体剔除工作并行分发给闲置的 CPU 核心，而 GPU 专心做渲染。

最终的形态是：CPU (Burst) 负责灯光分块 -> 将 Mask 编码成 Constant Buffer (UBO) 发送 -> 片段着色器 (Fragment Shader) 查表解码掩码 -> 仅针对有效光源进行渲染循环。这套系统既拿到了 Forward+ 的性能收益，又保持了极好的向下兼容性。