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虚幻引擎 4 渲染流程分析

查看: 315| 评论: 2 2018-2-8 07:11 PM| 发布者: PeckBang |原作者: 王文涛|来自: 虚幻引擎

      今天为大家带来的是转载自虚幻引擎爱好者王文涛的博客文章《虚幻引擎 4 渲染流程分析》,这篇文章通过 Renderdoc 的分析通俗地介绍虚幻引擎 4 的渲染过程。


      UE4作为当今商业引擎界的大佬,渲染和图形质量一直是首屈一指的水准,但是相对于unity来说UE4基本上是一套完整方案提供,不通过源码修改对渲染进行定制的可能性比较小,而且同时UE4这方面的文档很少,因此这篇文章就是想通过分析UE4的渲染过程,来给大家针对自己使用ue4开发的游戏的内容特点做出优化带来启发。

      我们使用Renderdoc对UE4(PC,DX11)截帧,UE4的版本为4.18. 可以看到UE4一帧画面的渲染过程如下


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      可以看到的是整个渲染流程还是很清晰明了的,接下来就会逐步分析每个过程。


1.Z-Prepass
UE4在deferred shading 过程之前这个,会有一系列的culling过程剔除掉不需要的像素或者几何体,基本上可以猜测是UE4是为了减轻后期在deferred shadinggbuffer 生成中的庞大计算量,第一遍的zpass会先渲染一遍场景中的几何,用于生产SceneDepthZ以及HZB buffer,格式为R24G8TYPELESS


2.Compute light grid
在Pre-Z之后UE4会把场景中的灯光按照屏幕空间分成相应的grid,类似于cluster shading的方法,注意这里的grid只考虑点光源,聚光灯,以及reflection captures,UE4这一步是通过compute shader实现的,所以只在sm>5.0的平台上有。具体shader代码在LightGridInjection.usf,阅读代码之后我们可以发现 UE4的灯光空间grid的划分是按照指数增长的。也就是每个grid的z随着距离会增长。

在真正计算光照时,我们可以用GridIndex来快速决定某点是否受到灯光影响。Lightculling的方法在forward下对于提高灯光的渲染效率是十分有用的,但UE4在DS下仍然保有了这一个过程。其效果存疑,初步推测是为了和UE4新加的Forward renderer统一。


3.Occlusion query
这一步在light culling之后,和Pre-Z pass 不同的是,Occlusion query 主要在物体级别做culling。ue4同样使用的是hardware occlusion queries(GPU query)的技术。在这一个pass中,所有的不透明物体会被渲染为一个occluder(包围盒):


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在根据深度计算query之后,query的数据会传回cpu,我们就可以计算每个物体有多少像素可见。这样我们就能知道物体最终是否会被渲染。

在不透明物体的query pass之后。Unreal 还有一些其他的query pass,例如灯光(点光源)会有一个ShadowFrustumQUeries(一般是画一个球体)反射则有 PlanarReflection queries(一般是画一个 Cube)


4.HZB generation
接下来UE4会生成场景的Hi-z(Hierarchical Z),R16_Float 格式,这一步也就是对之前的zbuffer做连续的downsample。HZB buffer会在之后的计算中起到很多作用,特别是Image based 的lighting技术,例如SSR等等。


5.ShadowMap 渲染 
接下来的一步就是渲染shadowmap(shadowDepth,注意,这里指的是实时阴影的计算。根据UE4中灯光类型的不同,实时阴影的计算也有一定的差别。
UE4中的灯光类 型分为stationary, static,moveable三种,相应的每种灯光cast realtime shadow的方式也不同。

对于stationary light,静态物体的阴影会bake到static shadowmap,shadowmap只计算标记为动态物体的阴影,而对于dynamic light 会对所有物体投射阴影,而静态灯光不会产生实时阴影。

ue4首先会渲染方向光的阴影,一般会渲染3split的cascade shadow ,所以我们能在截帧信息看到split0, split1和split2,注意cascade split数目在ue4中也是可以在方向光参数中设置的变量。


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之后是stationary light的shadow渲染,注意这里只针对场景中的moveable的物体。

最后是对于movable light的渲染,对于movable的方向光,ue4仍然是cascade shadow map计算阴影,需要注意的是对于movable的点光源,ue4使用了cubemap shadowmap,在cubeshadowmap的第一个pass CopyCachedShadowMap中,ue4会直接cachecopy static物体的shadowmap,例如这个场景中


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圆柱体为static,其他两个物体设为movable,因此最后我们能看到Shadow 只画了两个几何体。



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最后动态物体的shadow会添加在这个cubemap上面。


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注意 shadowcubemap使用了geometry shader来选择画在那个面上。


6.G-prepass
其实在g-prepass之前还会渲染一个volumtric fog(如果场景中有的话) 这里我们先跳过,
G-prepass就是ue4中常说的basspass,这个bass会真正的渲染场景并产生我们在deferred shading 中需要的G-buffers:


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SceneColorDefferd:包含了间接光照信息,例如lightmap和lightprobe(ue4叫ILC)


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场景Normal


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场景Albedo颜色


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PBR Specular信息


除此之外还有针对特殊shading模型的特殊Custom Data RT(例如 头发的tangent sss等)和Pre baked shadow factors RT,一般情况下UE4的渲染需要5-6个RT输出,除了产生GBuffer的计算之外,在这一步UE4还会计算完间接光照的信息,主要包括采集lightmap信息(静态物体)和球谐函数信息(Indirect lighting cache或者Volumetric light map)
UE4在4.18引入了新的半动态光照技术也就是Volumetric lightmap,相比于之前的 ILC机制,Volumetric lightmap能够更加细致的根据物体的空间位置对球谐函数probe做插值(ILC是每个物体做插值)


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7.Velocity rendering
在basepass之后是Velocity rendering,Velocity buffer会渲染为一张R16B16UNorm,主要用于motion blur和TAA


8.Pre-Lighting
UE4在这一部分会计算DeferredDecal(屏幕空间贴花),和AmbientOcclusion, UE4的屏幕空间AO考虑了深度和Normal信息,UE4的SSAO分为两个Pass,第一个pass会计算一个四分之一分辨率的RT,使用的是四分之一分辨率的normal和depth, 注意这里就用了之前生成的HZB buffer,第二个pass会渲染一个全分辨率RT并与第一个combine.注意最后计算的结果会乘到SceneColorDeferred这个RT上.


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9.Lighting

接下来就是光照的渲染部分,UE4在渲染灯光光照时会先处理translucent 物体的照明。

在这之后会分别计算阴影灯光和非阴影灯光的standarddeferredlighting,

在这个pass之后,SceneColorDeferred RT就会包含最后直接光照的结果


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10.ImageBased lighting

接下来UE4会渲染屏幕空间的一些光照效果,例如SSR(屏幕空间反射)还有ReflectionProbe等等

SSR会用到我们之前生成的HZB,在屏幕空间做Zbuffer的raymarching ,同时ue4的SSR会每帧jitter和TAA结合来提高质量。当击中时SSR的shader会采样上一帧的RT来获得颜色


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在SSR之后是ReflectionEnvironment Pass。这一步会结合场景中的反射球和之前的SSR结果会叠加到SceneColorDeferred这个RT中。


11. Post Processing
最后一步是UE4的Postprocessing,主要包括Temporal AA; Bloom;EyeAdaption等等这些可以自定义的内容。

UE4 的TAA会经历两个pass,第一个pass会处理没被stencil的像素(例如有粒子特效的时候),会用到MainRT和velocity buffer,第二个pass会处理例如粒子这样stencilled的pixel。两个pass的区别在于混合当前RT和History buffer的blendfactor的不同,第一个pass的blendfactor会根据pixel的亮度距离等等变化,而第二个pass的blendfactor啧固定为0.25,也就是说第二个pass的像素会更多考虑当前像素,很可能这是为了减少TAA中很常见的ghosting effect

注意:TAA的处理只包含动态的光照部分,也就是纯动态光照。

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以上的分析还是省略了很多的细节,例如半透照明这种还没涉及。从整体的流程分析来看,UE4在设计渲染方案的时候还是最大限度的考虑了功能的最大化,UE4的DS renderer包含了非常齐全的光照特效,包括静态的lightmap,动态的lightprobe,屏幕空间的lighting,以及一些影视级别的渲染技术,例如头发的渲染模型等等,但同时为了功能UE4的计算任务是很繁重的,因此也就不难理解为什么UE4需要Pre-Z和Occlusion Culling去剔除掉不用的像素。当然,对于使用UE4制作游戏的团队来说,根据游戏内容特点,画面的艺术风格,渲染管线都没必要一成不变,例如对于一款开放世界的野外生存游戏。我们可以考虑省掉Pre-Z的过程,或者,只用地表去画Pre-Z,又或者对于NPR画面的游戏我们完全可以不需要6-7个RT去做Deferred shading。UE4应对这些定制化开发的需求的方法就是:开源。代码就在DeferredShadingRenderer.cpp里。

(编辑:Kor)
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