Unreal Engine 4 Rendering

Part 2：Shaders and Vertex Data

在 UE 中有三个线程，GameThread、RenderingThread 和 RHIThread

• GameThread 负责给 RenderingThread 提供渲染数据和渲染命令
• RHIThread 负责接收 RenderingThread 提供的渲染资源，并发送资源以及相关指令给 GPU 进行渲染

ShaderCode 的生成发生在渲染线程（RenderingThread）

Shader 的创建与编译

Shader

在 UE 中，FShader 是所有 shader 的基类，每一个 FShader 类都有一个对应的 FShaderResource 负责记录这个 shader 对应的 GPU 资源。

从 FShader 派生出两个主要的 Shader 类：FGlobalShader 和 FMaterialShader

FGlobalShader

任意一个 FGlobalShader 类型的着色器在内存中只有一个实例，它会把所有继承子类加入一个重编译的 Group 内（个人理解：这个 shader 类管理的，是 UE 引擎中默认自带的一些 Shader）

官方文档对 FGlobalShader 的描述：Adding Global Shaders to Unreal Engine | Unreal Engine 5.4 Documentation | Epic Developer Community

FGlobalShader 是对固定几何体（如屏幕四边形）执行操作并且不需要与材质交互的着色器。在内存中，对于任何给定的全局着色器类型，只有一个实例。

FMaterialShader

FMaterialShader 可以有多个实例，并提供了一个设置着色器参数的接口，实现了 Shader 的 C++代码修改绑定的 HLSL 参数的功能

和 FGlobalShader 另一个不同在于，FMaterialShader 专门与材质交互

FMaterialShader 又派生出 FMeshMaterialShader 子类，这个子类为所有需要材质和顶点工厂参数的 Shader 提供了相关的接口，允许在绘制之前修改修改 Shader 中的参数

将 C++绑定到 HLSL

FShader 作为 Shader 在 CPU 上的代表，需要借助宏来与 HLSL Code 联系起来。

IMPLEMENT_MATERIAL_SHADER_TYPE(TemplatePrefix, ShaderClass, SourceFilename, FunctionName, Frequency)

举例说明：

IMPLEMENT_MATERIAL_SHADER_TYPE(,FDepthOnlyPS,TEXT(“/Engine/Private/DepthOnlyPixelShader.usf”),TEXT(“Main”),SF_Pixel);

• 这里忽略了第一个参数，因为本例比较特殊不是一个模板函数
• 第二个参数：FDepthOnlyPS 是 C++的 Shader 类
• 第三个参数：要绑定的 HLSL Code 文件
• 第四个参数：表示与这个 HLSL 文件中的哪个函数存在关联
• 第五个参数：这里的“频率”指定着色器的类型（vertex、hull、domain、geometry、pixel or compute）

在 Shader 编译之前 Modify

Shader Permutation：

• 当我们编辑一个材质时，UE 会自动针对不同用途编译出很多种 Shader 的组合，在大部分情况下会导致产生大量不需要使用的着色器
• ShouldCache() 用来返回一个 Shader 是否需要被编译的结果，只有当Shader、Material 和 VertexFactory都返回 true 的时候才会创建着色器的特定排列（permutation）

HLSL preprocessor defines：

• 可以在 HLSLCode 编译之前修改内部的预处理器定义
• FShader::ModifyCompilationEnvironment()，FMaterial::SetupMaterialEnvironment，FVertexFactory::ModifyCompilationEnvironment()
• FMaterial 常用该方法优化相关代码

Shader 的输入数据

Shader 创建完毕，接下来要考虑如何将数据传递到 GPU 上进行渲染

FVertexFactory

顶点工厂将顶点数据源进行封装并链接到一个顶点着色器上。

最常用的两个顶点工厂：

• FLocalVertexFactory：将显式顶点属性从局部空间转换到世界空间
• FGPUBaseSkinVertexFactory：和 SkeletalMeshes 相关，需要更多数据

FPrimitiveSceneProxy

那么这些顶点数据如何得到？

渲染线程需要从游戏线程获取渲染资源的数据，方式是通过游戏线程中 FPrimitiveComponent 在渲染线程中的代理 FPrimitiveSceneProxy

设置代理目的是将两个线程要操作的数据解耦，除了一些特定的同步手段外，两个线程互相不去使用对方线程的数据资源。

将 C++绑定到 HLSL

综上， FPrimitiveSceneProxy 从游戏线程中获取渲染资源，再通过 FVertexFactory 封装顶点数据并与顶点着色器链接

在 BasePass 中，只有一个顶点函数负责接收数据，这意味着这个函数需要适配所有不同的输入数据，同样是利用宏实现：

IMPLEMENT_VERTEX_FACTORY_TYPE(FactoryClass, ShaderFilename, bUsedWithmaterials, bSupportsStaticLighting, bSupportsDynamicLighting, bPrecisePrevWorldPos, bSupportsPositionOnly)

举例：

IMPLEMENT_VERTEX_FACTORY_TYPE(FLocalVertexFactory,”/Engine/Private/LocalVertexFactory.ush”,true,true,true,true,true);

在不同的顶点工厂内部，都有定义一套专门的数据结构用来描述输入的顶点数据，UE 会根据上提供的 .ush 头文件来判断使用哪种数据结构

举例：

void Main(FVertexFactoryInput Input, out FBasePassVSOutput Output)
{ 
	// ...
}

这个是一个 VertexShader 的入口函数，接收一个顶点工厂输入，这个输入在不同的顶点工厂内部有不同的结构形式定义：

// LocalVertexFactory.ush
struct FVertexFactoryInput
{
	float4 Position : ATTRIBUTE0;
	float3 TangentX : ATTRIBUTE1;
	float4 TangentZ : ATTRIBUTE2;
	float4 Color : ATTRIBUTE3;
	// ...
};

// GpuSkinVertexFactory.ush
struct FVertexFactoryInput
{
	float4 Position : ATTRIBUTE0;
	half3 TangentX : ATTRIBUTE1;
	half4 TangentZ : ATTRIBUTE2;
	uint4 BlendIndices : ATTRIBUTE3;  
	uint4 BlendIndicesExtra : ATTRIBUTE14;  
	// etc…
};

参考链接

• Unreal Engine 4 Rendering Part 2: Shaders and Vertex Data | by Matt Hoffman | Medium

---