Unity rendering order 整理筆記

自從上次 GameJam 體驗在 Unity 中，使用 SpriteRenderer 可直接調整 Sorting layer 來決定 render 順序後，便一直很好奇其背後實作到底是什麼，為什麼改變一個數值便能調整 sprites 在 render 結果的先後順序，而不用調整距離相機 (camera) 的距離來達到。

儘管 Sorting layer 是 Unity 4.3 推出用來製作 2D 的功能，但介紹其底層實作或是概念的資料並不好找，最終透過一些線上討論、實驗推敲與過去的經驗，終於想明白這是怎麼回事，是自己腦袋打結想太複雜，其實概念很簡單。

成像結果與場景俯視圖，rendering result 物件前後順序，不表示在場景中是依照其離攝影機深度來排列

提示：使用 Unity 2018.1 測試

關於深度緩衝 (Depth buffering, or z-buffering)

勢必得先回歸電腦繪圖學 (Computer graphics) 的知識，理解 Rasterization 怎麼透過 z-buffering ，來解決物體 rendering 可視問題 (visibility problem)，哪些可見那些不可見，這也關係到物件在 rendering result 成像後前後順序。

當物件 rendering 時，每個所生成的 pixel 產生的深度資訊 (z coordinate) 會儲存在 z-buffer (或稱為 depth buffer)，buffer 為二維陣列，其尺寸大小與最後成像尺寸相同。在 Unity shader 中可利用 ZWrite On | Off 來切換是否將深度資訊要寫入到 z-buffer。

有 z-buffering 機制，可不管物件算繪順序 (rendering order)，使得離攝影機越近的物件，永遠都描繪在其他離攝影機越遠的物件之前 (ZTest LEqual)。

房間示意圖

房間的深度資訊，越深色表示離攝影機越近

場景來源

Renderer’s rendering order

假設 shader 中關閉深度機制的判斷 (ZTest Always)，或者在 render 場景物件的過程中都不寫入深度 (ZWrite Off)，即沒有 z-buffering 機制，rendering order 會決定成像的結果，越晚畫的物件永遠都在其他較早畫的物件之上。

而在 SpriteRenderer 直接修改 sorting layer 以及 order in layer 來改變 rendering order，就能調整該物件在算繪結果的物件前後，便是基於此緣故，更多細節可查看 Sprites/Default shader 程式碼。

故整理在 Unity 中，rendering order 是根據以下參數進行排序：Camera depth > Material type > Sorting layer > Order in layer > Material render queue > Camera order algorithm。

Camera depth
- 數字越大越晚畫
- 通常無法搭配 Clear Flags: Don’t Clear，因為不會清除 depth buffer (z-buffer)
- 程式設定 camera.depth
- 選擇場景中的 camera 編輯
  
  編輯 depth 參數
Material type
- 先畫不透明物件 (opaque)，再畫透明物件 (transparent)
- 根據 material render queue 來決定，數值小於等於 2500 為不透明物件，數值大於 2500 為透明物件
Sorting layer
- 數字越大越晚畫
- 大多數的 renderer 都有支援此參數，但僅有 SpriteRenderder 以及 ParticleSystemRenderer 能在預設的 Inspector 編輯（不過自定義編輯器來達成）
- 程式設定 renderer.sortingLayerID
- 在 Tag Manager 編輯 Sorting layer
- 選擇場景的 SpriteRenderder 或是 ParticleSystemRenderer 編輯 Sorting layer
Order in layer
- 數字越大越晚畫
- 大多數的 renderer 都有支援此參數，但僅有 SpriteRenderder 以及 ParticleSystemRenderer 能在預設的 Inspector 編輯
- 程式設定 renderer.sortingOrder
- 選擇場景的 SpriteRenderder 或是 ParticleSystemRenderer 編輯 Order in layer
Material render queue
- 數字越大越晚畫
- 預設值會從 Shader 取得，但可自行定義
- 不透明物件 (Opaque)、半透明物件 (AlphaTest)、透明物件 (Transparent) 預設值分別 2000、2450、以及 3000
  - 通常只有透明物件會關閉 ZWrite
- 程式設定 material.renderQueue
- 選擇專案中的 material 編輯
Camera render algorithm
- 無法在預設編輯器修改，使用程式調整
- 非透明物件排序演算法 camera.opaqueSortMode
  - Default：在 Unity 2018.1 預設值 FrontToBack
  - FrontToBack：粗略低由近到遠排序繪製，能使得 GPU rendering 時有更好的效能
  - NoDistanceSort：關閉排序繪製，能降低 CPU 的使用量
- 透明物件排序演算法 camera.transparencySortMode
  - Default：根據 camera projection mode 調整
  - Perspective：根據 camera 位置到物件中心 (object center) 的距離排序
  - Orthographic：根據 view plane 到物件中心 (object center) 的距離排序
  - CustomAxis：制定 axis 排序，專門用於 2D 遊戲製作，可參考這篇文章

UGUI’s rendering order

在 Unity 5.x 推出的 UGUI 系統中，其 rendering order 卻是另外規則，這分成兩個部分探討 Canvas & CanvasRenderer，其概念可想像是 CanvasRenderer 可視為畫在畫布 Canvas 的元件，之後該畫布再畫在最終的畫面上（e.g. render target）。

關於 Canvas 的 rendering order：

Screen Space - Overlay
- 想像該 canvas 由隱藏的 camera 處理，其 depth = 101 (最後才處理)
- 多個相同的 canvas 使用 Sort Order 來決定描繪順序，數字越大越晚畫
Screen Space - Camera & World Space
- 想像為存在在世界場景的平面
- 多個相同 canvas 使用 Sorting layer 以及 Order in layer 來決定 rendering order

關於同一個 canvas 下，其 CanvasRenderer 之間的 rendering order：

Material render queue > Transform order
- Material render queue 同前面說明，看材質球 (material) 的 render queue 參數
- Transform order：依照 Transform 階層關係，採 Pre-order 方式排序
- 注意：當所屬的 Canvas 之 render mode 為 Screen Space - Overlay，則無視 Material render queue

使用實踐情境

3D
- 不透明物件 & 半透明物件 (e.g. 草、鐵絲網等等) 依照場景擺放
  - 不需要特別設定 rendering order
  - 一切交給 z-buffering 機制
- 透明物件或是粒子特效 (particle system) 可透過 sort layer & order in layer 機制調整 rendering order
  - 透明物件 shader 通常不會寫 z-buffer (e.g. ZWrite Off)
  - 可 hack inspector 來設定 renderer.sortingLayerID 以及 renderer.sortingOrder
2D
- Sprite renderer 使用 sort layer & order in layer 機制來調整 rendering order，以控制 depth
UGUI
- 利用 transform hierarchy 來建立 rendering order，因應效能優化可能還得拆成多個 canvas
- 若採用 Canvas render mode: World space，想讓 UI 與 3D 場景物件的結合，可將 canvas 視為 3D 物件去設計場景架構 (這自己就沒有經驗…)