UE4 渲染基础概念

本文总结于ue4 4.9官方文档

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场景基本对象

• UWorld : 世界，相当于一个包含了所有角色和组件的容器，世界中的关卡可以动态载入载出，游戏中的多个世界可以被设置为活动的
• ULevel : 关卡，世界的子集，用于包含和管理角色和组件的载入载出，关卡被存储于一个独立的 map 文件中
• USceneComponent ： 能够被加载到场景中的对象的基类，如灯光，网格，雾等
• UPrimitiveComponent： 所有能够被渲染的或可与物理交互的对象的基类，同时也扮演了最小粒度的可视化裁剪和保存渲染属性的角色（如投射阴影）与所有 UObjects 一样，游戏线程拥有所有变量和状态，渲染线程不应直接对其进行访问
• ULightComponent : 代表光源。渲染器负责计算和添加其对场景的贡献
• FScene : UWorld 的渲染器版本。对象仅在其被添加到 FScene（注册组件时调用）后才会存在于渲染器中。渲染线程拥有 FScene 中的所有状态，游戏线程无法直接对其进行修改
• FPrimitiveSceneProxy : UPrimitiveComponent 的渲染器版本，为渲染线程映射 UPrimitiveComponent 状态。存在于引擎模块中，用于划分为子类以支持不同类型的基元（骨架、刚体、BSP 等）。实现某些非常重要的函数，如 GetViewRelevance、DrawDynamicElements 等
• FPrimitiveSceneInfo : 内部渲染器状态（FRendererModule 实现专有），对应于 UPrimitiveComponent 和 FPrimitiveSceneProxy。存在于渲染器模块中，因此引擎看不到它
• FSceneView : 单个视图到一个 FScene 的引擎代表。视图可以通过对 FSceneRenderer::Render 的不同调用的不同视图来渲染（多编辑器视口）或通过对 FSceneRenderer::Render 的同一调用中的多个视图来渲染（分屏游戏）。为每个帧构建新视图
• FViewInfo : 渲染线程中描述View信息的对象，可以看成是view在渲染线程中的副本
• FSceneViewState ： ViewState 存储有关在多个帧中需要的某个视图的私有渲染信息。在游戏中，每个 ULocalPlayer 都有一个视图状态
• FSceneRenderer ： 每个帧都会被创建的类，用于封装跨帧的临时对象

材质基本对象

• FMaterial ： 材质渲染接口，用于访问材质属性（如混合模式），及着色器容器，可根据具体平台和设置选择具体着色器版本
• UMaterial： 材质资源类，计算着色的材质属性，和设置混合模式等功能
• FMaterialResource ： UMaterial 的 FMaterial 接口实现
• FMaterialRenderProxy ： 材质对象在渲染线程的实现，用于渲染线程访问材质的各种属性，如各标量值，向量值，贴图参数等
• UMaterialInterface ： 虚类，材质对象在游戏线程的接口，用于访问渲染线程的FMaterialRenderProxy对象，和资源对象 UMaterial
• UMaterialInstanceConstant ： 仅用于编辑器访问的UMaterialInterface实现，可以提供标量、向量、纹理和静态开关参数
• UMaterialInstanceDynamic ： 运行时可被更改的UMaterialInterface实现，可以提供标量、向量、纹理参数，无法提供静态开关参数，且无法成为另一 UMaterialInstance 的父项

场景渲染基本概念

• Primitive components and proxies
  基本组件是可视性和相关性确定的基本单位。例如，遮蔽和视锥剔除都是按基元进行的。因此在设计系统时，考虑组件的大小十分重要。每个组件都有一个边界，用于多种操作，如剔除、阴影投射和光照影响确定。
  组件只有在注册之后才会对场景（以及渲染器）可见。更改组件属性的游戏线程代码必须调用组件上的 MarkRenderStateDirty()，将更改传播到渲染线程。
• FPrimitiveSceneProxy and FPrimitiveSceneInfo
  FPrimitiveSceneProxy是UPrimitiveComponent的渲染器版本，主要用于根据不同渲染目标类型将渲染目标归类，它存在与引擎模块中，在渲染通道中其某些函数会被调用，FPrimitiveSceneInfo保存了每个UPrimitiveComponent在渲染器内部的状态，为渲染器模块私有

下面按其所在的模块(引擎模块，渲染模块)列出了各种主类

Engine Module	Renderer Module
UWorld	FScene
UPrimitiveComponent / FPrimitiveSceneProxy	FPrimitiveSceneInfo
FSceneView	FViewInfo
ULocalPlayer	FSceneViewState
ULightComponent / FLightSceneProxy	FLightSceneInfo

下面按其所在的线程(游戏线程，渲染线程)列出了各种主类

Engine Module	Renderer Module
UWorld	FScene
UPrimitiveComponent	FPrimitiveSceneProxy / FPrimitiveSceneInfo
	FSceneView / FViewInfo
ULocalPlayer	FSceneViewState
ULightComponent	FLightSceneProxy / FLightSceneInfo

FPrimitiveSceneProxy 重要的渲染函数

• GetViewRelevance ： 每帧开始的时候会在InitViews中被调用, 并返回一个初始化好的FPrimitiveViewRelevance对象， FPrimitiveViewRelevance对象保存了渲染一些渲染标志信息如，改primitive是否支持光照，是否已经被绘制过了 等，一个Primitive有多个element， 每个element 都关联了自己的FPrimitiveViewRelevance对象，这表明，一个Primitive 可能既包含不透明的element，有包含透明的element，或者既包含静态的element又包含动态的element，它们并非相互排斥
• GetDynamicMeshElements ： 该函数会收集所有的动态物体并在随后渲染
• DrawStaticElements ： 绘制 primitive 的静态物体，静态图元仅当想关联的FPrimitiveViewRelevance对象声明为静态时被绘制

场景渲染顺序(Scene rendering order)

渲染器按照其希望将数据整合给渲染目标（render target）的顺序处理场景。例如，only Depth 的通道会比 Base 通道先渲染，先填充 Heirarchical Z (HiZ)，从而降低基础通道（base pass）中的着色消耗。此顺序是按通道函数在 C++ 中调用的顺序静态决定的

渲染策略(Drawing Policies)

渲染策略(drawing policy)包含了通过通道特定的着色器渲染网格体(meshes)的逻辑, 它通过特定的FVertexFactory接口来抽象网格(mesh)通过FMaterial接口来抽象具体材质(material)，在底层，一个渲染策略(drawing policy)拥有一系列的材质着色器，和一个 FVertexFactory对象，通过绑定FVertexFactory的顶点buffer和顶点着色器(mesh material shaders)到渲染硬件接口(Rendering Hardware Interface(RHI))并设置适当的着色参数，然后执行 RHI 绘制调用(RHI draw call)

绘制规则方法(Drawing Policy methods)

• Constructor ： 从给定的顶点工厂(vertex factory)和材质着色器列表(material shader map)找出适当的着色器，并存储他们的引用。
• CreateBoundShaderState ： 为绘制规则(Drawing Policy)创建绑定到RHI的着色器状态。
• Matches/Compare ： 提供了排序该drawing policy和渲染列表（draw lists）中其他drawing policy的函数，Matches 必须比较 DrawShared 依赖的所有因素。
• DrawShared ： 设置在从 Matches 返回 True 的绘制规则之间一致的 RHI 状态。例如，大多数绘制规则会为材质和顶点工厂排序，因此着色器参数只依赖可以设置的材质，并且可以绑定特定于该顶点工厂的顶点缓冲区。应尽可能在此处设置状态，而非在 SetMeshRenderState 设置，因为 DrawShared 在静态渲染路径中调用较少。
• SetMeshRenderState ： 设置特定于此网格体的 RHI 状态，或 DrawShared 中未设置的状态。这比 DrawShared 调用的次数多得多，因此此处性能非常重要。
• DrawMesh ： 实际发出 RHI 绘制调用。

渲染路径(Rendering paths)

UE4有静态渲染和动态渲染两个渲染路径，动态渲染路径可以被更灵活的控制但速度较慢，静态渲染路径（缓存尽可能靠近 RHI 级别的场景转换）速度较快，两条渲染路径的差异基本是在上层实现中，因为它们在底层都使用(Drawing polices)。 每个渲染批次(rendering pass | drawing policy)应该确保能够处理这两种渲染路径如果需要的话

动态渲染路径(Dynamic rendering path)

待查

静态渲染路径(Dynamic rendering path)

静态渲染路径通过静态渲染列表(static draw list)来实现, 所有场景中的网格(mesh)物体都会被添加到静态渲染列表中，在加入渲染列表时，渲染代理的DrawStaticElements对象会收集FStaticMeshElements对象，然后一个绘制策略(drawing policy)会被创建和保存，根据CrateBoundShaderState的结果，这个新创建的渲染策略会被Compare和Matches函数进行排序并插入到渲染列表中的适当位置(参见 TStaticMeshDrawList::AddMesh)，在InitViews函数中，一个包含了静态渲染列表中物体可视性的位数组(BitArray)会被初始化给TStaticMeshDrawList::DrawVisible函数在具体绘制渲染列表的时候使用，DrawShared只会在所有相同类型的渲染策略(Drawing Policy)被调用一次， 而 SetMeshRenderState和DrawMesh会在每次绘制FStaticMeshElement(参见TStaticMeshDrawList::DrawElement)的时候被调用
  静态渲染路径会将大部分工作移动到链接阶段(attach time)来做，这对于加速场景转换(scene traversal)和缩短渲染时间很有意义，这样的话渲染线程渲染静态物体的时间可以提高3倍的效率，这样便可以放更多的静态物体到场景中，因为静态渲染列表会在链接阶段(attach time)将数据缓存，但也仅仅能够缓存与视口无关的状态(view independent stat)，很少重新连接但经常需要渲染的单元(primitive)非常适合静态绘制列表
  静态渲染路径可能会暴露出 bug，因为它每个状态桶只调用 DrawShared 一次。这些 bug 可能会很难发现，因为它们取决于场景中网格体的渲染顺序和连接顺序。特别的视图模式（如仅光照、无光照等）会强制所有基元使用动态路径，因此如果在强制动态渲染路径时 bug 消失，则其很可能是由于某绘制规则的 DrawShared 和/或 Matches 函数的错误实现而出现的。

总体渲染路径(High level Rendering order)

下面将说明从 FDeferredShadingSceneRenderer::Render 开始渲染一个帧时的简略控制流程

• GSceneRenderTargets.Allocate ： 按需要重新分配全局场景渲染目标，使其对当前视图足够大。
• InitViews ： 通过多种剔除方法为视图初始化基元可见性，设立此帧可见的动态阴影、按需要交叉阴影视锥与世界场景（对整个场景的阴影或预阴影）。
• PrePass / Depth only pass： RenderPrePass / FDepthDrawingPolicy 。渲染遮挡物，对景深缓冲区仅输出景深。该通道可以在多种模式下工作：禁用、仅遮蔽，或完全景深，具体取决于活动状态的功能的需要。该通道通常的用途是初始化 Hierarchical Z 以降低 Base 通道的着色消耗（Base 通道的像素着色器消耗非常大）。
• Base pass ： RenderBasePass / TBasePassDrawingPolicy。渲染不透明和遮盖的材质，向 GBuffer 输出材质属性。光照图贡献和天空光照也会在此计算并加入场景颜色。
• Issue Occlusion Queries / BeginOcclusionTests ： 提出将用于下一帧的 InitViews 的延迟遮蔽查询。这会通过渲染所查询物体周围的相邻的框、有时还会将相邻的框组合在一起以减少绘制调用来完成。
• Lighting ： 阴影图将对各个光照渲染，光照贡献会累加到场景颜色，并使用标准延迟和平铺延迟着色。光照也会在透明光照体积中累加。
• Fog ： 雾和大气在延迟通道中对不透明表面进行逐个像素计算。
• Translucency ： 透明度累加到屏外渲染目标，在其中它应用了逐个顶点的雾化，因而可以整合到场景中。光照透明度在一个通道中计算最终光照以正确融合。
• Post Processing ： 多种后期处理效果均通过 GBuffers 应用。透明度将合成到场景中。

着色器等级(shander feature level)

• SM5 ： 通常对应于 D3D11 Shader Model 5，但由于 OpenGL 4.3 限制，仅有 16 种纹理可以使用。支持曲面细分、计算着色器和立方体贴图阵列。支持延迟着色路径。
• SM4 ： 对应 D3D11 Shader Model 4，这与 SM5 基本相同，但没有曲面细分、计算着色器和立方体贴图阵列。支持延迟着色路径。不支持眼适应，因为其使用计算着色器。
• ES2 ： 对应大多数 OpenGL ES2 移动设备支持的功能。使用削减向前着色路径。