虛幻引擎 4 渲染流程分析
今天為大家?guī)?lái)的是轉(zhuǎn)載自虛幻引擎愛(ài)好者王文濤的博客文章《虛幻引擎 4 渲染流程分析》，這篇文章通過(guò) Renderdoc 的分析通俗地介紹虛幻引擎 4 的渲染過(guò)程。
UE4作為當(dāng)今商業(yè)引擎界的大佬，渲染和圖形質(zhì)量一直是首屈一指的水準(zhǔn)，但是相對(duì)于unity來(lái)說(shuō)UE4基本上是一套完整方案提供，不通過(guò)源碼修改對(duì)渲染進(jìn)行定制的可能性比較小，而且同時(shí)UE4這方面的文檔很少，因此這篇文章就是想通過(guò)分析UE4的渲染過(guò)程，來(lái)給大家針對(duì)自己使用ue4開(kāi)發(fā)的游戲的內(nèi)容特點(diǎn)做出優(yōu)化帶來(lái)啟發(fā)。
我們使用Renderdoc對(duì)UE4(PC，DX11）截幀，UE4的版本為4.18. 可以看到UE4一幀畫(huà)面的渲染過(guò)程如下
可以看到的是整個(gè)渲染流程還是很清晰明了的，接下來(lái)就會(huì)逐步分析每個(gè)過(guò)程。
1.Z-Prepass
UE4在deferred shading 過(guò)程之前這個(gè)，會(huì)有一系列的culling過(guò)程剔除掉不需要的像素或者幾何體，基本上可以猜測(cè)是UE4是為了減輕后期在deferred shadinggbuffer 生成中的龐大計(jì)算量，第一遍的zpass會(huì)先渲染一遍場(chǎng)景中的幾何，用于生產(chǎn)SceneDepthZ以及HZB buffer，格式為R24G8TYPELESS
2.Compute light grid
在Pre-Z之后UE4會(huì)把場(chǎng)景中的燈光按照屏幕空間分成相應(yīng)的grid，類似于cluster shading的方法，注意這里的grid只考慮點(diǎn)光源，聚光燈，以及reflection captures，UE4這一步是通過(guò)compute shader實(shí)現(xiàn)的，所以只在sm>5.0的平臺(tái)上有。具體shader代碼在LightGridInjection.usf，閱讀代碼之后我們可以發(fā)現(xiàn) UE4的燈光空間grid的劃分是按照指數(shù)增長(zhǎng)的。也就是每個(gè)grid的z隨著距離會(huì)增長(zhǎng)。
在真正計(jì)算光照時(shí)，我們可以用GridIndex來(lái)快速?zèng)Q定某點(diǎn)是否受到燈光影響。Lightculling的方法在forward下對(duì)于提高燈光的渲染效率是十分有用的，但UE4在DS下仍然保有了這一個(gè)過(guò)程。其效果存疑，初步推測(cè)是為了和UE4新加的Forward renderer統(tǒng)一。
3.Occlusion query
這一步在light culling之后，和Pre-Z pass 不同的是，Occlusion query 主要在物體級(jí)別做culling。ue4同樣使用的是hardware occlusion queries（GPU query）的技術(shù)。在這一個(gè)pass中，所有的不透明物體會(huì)被渲染為一個(gè)occluder（包圍盒）：
在根據(jù)深度計(jì)算query之后，query的數(shù)據(jù)會(huì)傳回cpu,我們就可以計(jì)算每個(gè)物體有多少像素可見(jiàn)。這樣我們就能知道物體最終是否會(huì)被渲染。
在不透明物體的query pass之后。Unreal 還有一些其他的query pass，例如燈光（點(diǎn)光源）會(huì)有一個(gè)ShadowFrustumQUeries（一般是畫(huà)一個(gè)球體）反射則有 PlanarReflection queries（一般是畫(huà)一個(gè) Cube)
4.HZB generation
接下來(lái)UE4會(huì)生成場(chǎng)景的Hi-z（Hierarchical Z），R16_Float 格式，這一步也就是對(duì)之前的zbuffer做連續(xù)的downsample。HZB buffer會(huì)在之后的計(jì)算中起到很多作用，特別是Image based 的lighting技術(shù)，例如SSR等等。
5.ShadowMap 渲染
接下來(lái)的一步就是渲染shadowmap（shadowDepth,注意，這里指的是實(shí)時(shí)陰影的計(jì)算。根據(jù)UE4中燈光類型的不同，實(shí)時(shí)陰影的計(jì)算也有一定的差別。
UE4中的燈光類 型分為stationary， static，moveable三種，相應(yīng)的每種燈光cast realtime shadow的方式也不同。
對(duì)于stationary light，靜態(tài)物體的陰影會(huì)bake到static shadowmap，shadowmap只計(jì)算標(biāo)記為動(dòng)態(tài)物體的陰影，而對(duì)于dynamic light 會(huì)對(duì)所有物體投射陰影，而靜態(tài)燈光不會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)陰影。
ue4首先會(huì)渲染方向光的陰影，一般會(huì)渲染3split的cascade shadow ，所以我們能在截幀信息看到split0， split1和split2，注意cascade split數(shù)目在ue4中也是可以在方向光參數(shù)中設(shè)置的變量。
之后是stationary light的shadow渲染，注意這里只針對(duì)場(chǎng)景中的moveable的物體。
最后是對(duì)于movable light的渲染，對(duì)于movable的方向光，ue4仍然是cascade shadow map計(jì)算陰影，需要注意的是對(duì)于movable的點(diǎn)光源，ue4使用了cubemap shadowmap，在cubeshadowmap的第一個(gè)pass CopyCachedShadowMap中，ue4會(huì)直接cachecopy static物體的shadowmap，例如這個(gè)場(chǎng)景中
圓柱體為static，其他兩個(gè)物體設(shè)為movable，因此最后我們能看到Shadow 只畫(huà)了兩個(gè)幾何體。
最后動(dòng)態(tài)物體的shadow會(huì)添加在這個(gè)cubemap上面。
注意 shadowcubemap使用了geometry shader來(lái)選擇畫(huà)在那個(gè)面上。
6.G-prepass
其實(shí)在g-prepass之前還會(huì)渲染一個(gè)volumtric fog（如果場(chǎng)景中有的話） 這里我們先跳過(guò)，
G-prepass就是ue4中常說(shuō)的basspass，這個(gè)bass會(huì)真正的渲染場(chǎng)景并產(chǎn)生我們?cè)赿eferred shading 中需要的G-buffers:
SceneColorDefferd:包含了間接光照信息，例如lightmap和lightprobe（ue4叫ILC）
場(chǎng)景Normal
場(chǎng)景Albedo顏色
PBR Specular信息
除此之外還有針對(duì)特殊shading模型的特殊Custom Data RT（例如 頭發(fā)的tangent sss等）和Pre baked shadow factors RT，一般情況下UE4的渲染需要5-6個(gè)RT輸出，除了產(chǎn)生GBuffer的計(jì)算之外，在這一步UE4還會(huì)計(jì)算完間接光照的信息，主要包括采集lightmap信息（靜態(tài)物體）和球諧函數(shù)信息（Indirect lighting cache或者Volumetric light map）
UE4在4.18引入了新的半動(dòng)態(tài)光照技術(shù)也就是Volumetric lightmap，相比于之前的 ILC機(jī)制，Volumetric lightmap能夠更加細(xì)致的根據(jù)物體的空間位置對(duì)球諧函數(shù)probe做插值（ILC是每個(gè)物體做插值）
Volumetric lightmap的Texture3d
7.Velocity rendering
在basepass之后是Velocity rendering，Velocity buffer會(huì)渲染為一張R16B16UNorm，主要用于motion blur和TAA
8.Pre-Lighting
UE4在這一部分會(huì)計(jì)算DeferredDecal（屏幕空間貼花），和AmbientOcclusion， UE4的屏幕空間AO考慮了深度和Normal信息，UE4的SSAO分為兩個(gè)Pass，第一個(gè)pass會(huì)計(jì)算一個(gè)四分之一分辨率的RT，使用的是四分之一分辨率的normal和depth， 注意這里就用了之前生成的HZB buffer，第二個(gè)pass會(huì)渲染一個(gè)全分辨率RT并與第一個(gè)combine.注意最后計(jì)算的結(jié)果會(huì)乘到SceneColorDeferred這個(gè)RT上.
9.Lighting
接下來(lái)就是光照的渲染部分，UE4在渲染燈光光照時(shí)會(huì)先處理translucent 物體的照明。
在這之后會(huì)分別計(jì)算陰影燈光和非陰影燈光的standarddeferredlighting，
在這個(gè)pass之后，SceneColorDeferred RT就會(huì)包含最后直接光照的結(jié)果
10.ImageBased lighting
接下來(lái)UE4會(huì)渲染屏幕空間的一些光照效果，例如SSR（屏幕空間反射）還有ReflectionProbe等等
SSR會(huì)用到我們之前生成的HZB，在屏幕空間做Zbuffer的raymarching ，同時(shí)ue4的SSR會(huì)每幀jitter和TAA結(jié)合來(lái)提高質(zhì)量。當(dāng)擊中時(shí)SSR的shader會(huì)采樣上一幀的RT來(lái)獲得顏色
在SSR之后是ReflectionEnvironment Pass。這一步會(huì)結(jié)合場(chǎng)景中的反射球和之前的SSR結(jié)果會(huì)疊加到SceneColorDeferred這個(gè)RT中。
11. Post Processing
最后一步是UE4的Postprocessing，主要包括Temporal AA； Bloom；EyeAdaption等等這些可以自定義的內(nèi)容。
UE4 的TAA會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)pass，第一個(gè)pass會(huì)處理沒(méi)被stencil的像素（例如有粒子特效的時(shí)候），會(huì)用到MainRT和velocity buffer，第二個(gè)pass會(huì)處理例如粒子這樣stencilled的pixel。兩個(gè)pass的區(qū)別在于混合當(dāng)前RT和History buffer的blendfactor的不同，第一個(gè)pass的blendfactor會(huì)根據(jù)pixel的亮度距離等等變化，而第二個(gè)pass的blendfactor嘖固定為0.25，也就是說(shuō)第二個(gè)pass的像素會(huì)更多考慮當(dāng)前像素，很可能這是為了減少TAA中很常見(jiàn)的ghosting effect
注意：TAA的處理只包含動(dòng)態(tài)的光照部分，也就是純動(dòng)態(tài)光照。
以上的分析還是省略了很多的細(xì)節(jié)，例如半透照明這種還沒(méi)涉及。從整體的流程分析來(lái)看，UE4在設(shè)計(jì)渲染方案的時(shí)候還是最大限度的考慮了功能的最大化，UE4的DS renderer包含了非常齊全的光照特效，包括靜態(tài)的lightmap，動(dòng)態(tài)的lightprobe，屏幕空間的lighting，以及一些影視級(jí)別的渲染技術(shù)，例如頭發(fā)的渲染模型等等，但同時(shí)為了功能UE4的計(jì)算任務(wù)是很繁重的，因此也就不難理解為什么UE4需要Pre-Z和Occlusion Culling去剔除掉不用的像素。當(dāng)然，對(duì)于使用UE4制作游戲的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，根據(jù)游戲內(nèi)容特點(diǎn)，畫(huà)面的藝術(shù)風(fēng)格，渲染管線都沒(méi)必要一成不變，例如對(duì)于一款開(kāi)放世界的野外生存游戲。我們可以考慮省掉Pre-Z的過(guò)程，或者，只用地表去畫(huà)Pre-Z，又或者對(duì)于NPR畫(huà)面的游戲我們完全可以不需要6-7個(gè)RT去做Deferred shading。UE4應(yīng)對(duì)這些定制化開(kāi)發(fā)的需求的方法就是：開(kāi)源。代碼就在DeferredShadingRenderer.cpp里。
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