内容概要
2016年9月24日我在MDCC 2016 VR 峰会上我做了一个技术分享，这里是这次分享的技术资料

【欢迎转载，请注明作者：房燕良，原文出处：游戏程序员的自我修养】

演讲资料

故事梗概

3D 引擎架构大图

Big Picture

虚幻4渲染相关模块

虚幻4引擎采用了模块化的设计，首先我们来看一下渲染相关的有哪些模块：

  • RenderCore、Render
  • RHI，也就是Render Hardware Interface，是对图形API的封装；虚幻4的RHI接口，最初是基于D3D 11来设计的；
  • 针对主流平台上的主流图形API，基本都做了适配，包括D3D 11、OpenGL、Metal和最新的Vulkan；
  • 这些模块的代码都在：Engine\Source\Runtime目录下；

多线程结构：游戏线程+渲染线程

  • 从虚幻3开始引入了渲染线程—Gemini
  • 没有渲染线程的情况： Single Thread
  • 使用渲染线程: Render Thread
  • 主线程通过Render Command Queue向渲染线程发送命令；
  • 主线程通过Render Command Fence机制来控制节奏；
  • 场景数据管理
    • 主线程管理场景数据；渲染线程使用Proxy对象； Threads

场景对象

  • 场景数据分两层：UWorld、ULevel、AActor这些是面向游戏逻辑层的，方便游戏逻辑层去管理；
  • 而对于渲染UWorld包含一个FScene对象。FScene是面向渲染器器的，管理当前World里面的所有Primitive和Light。
  • FSceneRender类用来控制渲染流程，它有两个派生类，用来实现前向渲染和延迟渲染；
    • 对于Shader Model 4以下的平台，选择前向渲染；否则使用延迟渲染。
  • FSceneViewFamily/FSceneView
    • 在每一帧，可以把FScene渲染到多个View；这个以前主要是用于单机游戏多玩家分屏显示用的。
      • 例如极品飞车，可以选择2个人一起玩，但屏幕一半显示你的视图，另一半显示我的视图；
      • 现在这个分屏机制也用来实现VR立体渲染，这个后面再详细说；
  • FViewInfo从FSceneView派生，附加了Scene Renderer所需要的额外状态数据；
    • 在FSceneRenderer创建时，每帧创建；

UML

对于游戏逻辑层Aactor管理组件，对于渲染来说，核心的组件是UPrimitiveComponent和ULightComponent，它们有各自的一个派生体系来处理不同类型的Primitive和灯光。罗列一下核心的一些Class：

UML

  • UPrimitiveComponent管理一个FPrimitiveSceneProxy。在组件注册的时候，UPrimitiveComponent的派生类里面会创建FPrimitiveSceneProxy的派生类对象。例如UStaticMeshComponent创建一个FStaticMeshSceneProxy对象；
  • FPrimitiveSceneProxy是Engine模块中定义的一个类，用来存储UPrimitiveComponent的渲染状态数据；
  • 在Renderer模块中还有FPrimitiveSceneInfo，用来存储渲染器关心的内部数据（Engine模块不可见）；
  • 灯光的处理手法和Primitive基本一致；
  • UPrimitiveComponent<-UMeshComponent
    • UStaticMeshComponent
    • USkeletalMeshComponent
  • ULightComponent
    • UDirectionalLightComponent
    • UPointLightComponent
  • FPrimitiveSceneProxy
    • FStaticMeshSceneProxy
    • FSkeletalMeshSceneProxy
  • FLightSceneProxy
    • FDirectionalLightSceneProxy
    • FPointLightSceneProxyBase：FPointLightSceneProxy，FSpotLightSceneProxy

虚幻4基本渲染流程

  • Game线程
void UGameEngine::Tick( float DeltaSeconds, bool bIdleMode )
{
	UGameEngine::RedrawViewports()
	{
	    void FViewport::Draw( bool bShouldPresent)
	    {
          void UGameViewportClient::Draw()
          {
            //-- 计算ViewFamily、View的各种属性
            ULocalPlayer::CalcSceneView();

            //-- 发送渲染命令：FDrawSceneCommand
            FRendererModule::BeginRenderingViewFamily()

            //-- Draw HUD
            PlayerController->MyHUD->PostRender();
          }
}}}

FrameEndSync.Sync();
  • 渲染线程:
    • RenderViewFamily_RenderThread()
    • FSceneRenderer::Render()
      • InitViews():
        • Primitive Visibility Determination：Frustum Cull+Occlusion Cull
        • Light Visibility：Frustum Cull
        • 透明物体排序：Back to Front
        • 不透明物体排序：Front to Back
    • Base Pass
    • Lighting & Fog
    • Translucent
    • Post Process

虚幻4的延迟渲染

Deferred Shading的基本流程就是先使用一个前向渲染的Pass，把场景中的3D对象渲染到N个geometry buffer上；这几个geometry buffer用来保存后续的光照等计算需要的值。这里列出了虚幻4引擎中的几个基础的GBuffer；

  • GBufferA主要存储的世界坐标系中的法线向量；
  • GBufferB和C，大家可以把这些分量和虚幻的材质对应上了；

大家可以自己去看一下class FSceneRenderTargets这个类的代码，这个类管理 了所有的RenderTargets；另外，还有DeferredShadingCommon.usf这个shader文件，GBuffer的Encode、Decode都在这里；

FDeferredShadingSceneRenderer

  • GBuffers: class FSceneRenderTargets
  • DeferredShadingCommon.usf

UML

在编辑器中可以将这些 GBuffer 可视化出来：

UML

核心流程的伪代码如下：

void FDeferredShadingSceneRenderer::Render()
{
	bool FDeferredShadingSceneRenderer::InitViews()
	{
	//-- Visibility determination.
	void FSceneRenderer::ComputeViewVisibility()
	{
		FrustumCull();
		OcclusionCull();
	}

	//-- 透明对象排序：back to front
	FTranslucentPrimSet::SortPrimitives();

	//determine visibility of each light
	DoFrustumCullForLights();

	//-- Base Pass对象排序：front to back
	void FDeferredShadingSceneRenderer::SortBasePassStaticData();
	}

    //-- EarlyZPass
  FDeferredShadingSceneRenderer::RenderPrePass();
  RenderOcclusion();

  //-- Build Gbuffers
  SetAndClearViewGBuffer();
  FDeferredShadingSceneRenderer::RenderBasePass();
  FSceneRenderTargets::FinishRenderingGBuffer();

  //-- Lighting stage
  RenderLights();
  RenderDynamicSkyLighting();
  RenderAtmosphere();
  RenderFog();
  RenderTranslucency();
  RenderDistortion();
  //-- post processing
  SceneContext.ResolveSceneColor();
  FPostProcessing::Process();
  FDeferredShadingSceneRenderer::RenderFinish();
}

void FDeferredShadingSceneRenderer::RenderLights()
{
	foreach(FLightSceneInfoCompact light IN Scene->Lights)
	{
	  void FDeferredShadingSceneRenderer::RenderLight(Light)
	  {
	    RHICmdList.SetBlendState(Additive Blending);
	    // DeferredLightVertexShaders.usf
	    VertexShader = TDeferredLightVS;
	     // DeferredLightPixelShaders.usf
	    PixelShader = TDeferredLightPS;
           switch(Light Type)
           {
             case LightType_Directional:
                  DrawFullScreenRectangle();
             case LightType_Point:
                  StencilingGeometry::DrawSphere();
             case LightType_Spot:
                  StencilingGeometry::DrawCone();
            }
          }
       }
}

VR/HMD 渲染相关类

UML

为什么要深入学习引擎架构

现在商业3D引擎越来越成熟，特别是Unity3D引擎引领的引擎工具化潮流，大大提高了开发效率。开发的门槛也降低了很多，那我们是否还有必要去深入学习引擎底层算法、引擎架构呢？

个人认为还是非常有必要的！为什么呢？大家都知道，我们现代的软件工程是基于分层抽象建立起来的，好比说引擎是一层，它通过抽象把底层的复杂度封装了起来，这样在上层就可以更关注自己的业务。然而，系统分层和抽象封装可以提供开发效率，却不能提高学习效率，这是因为它在80%的时候工作的很好，但是在20%的时候会失效，如果你对底层完全不理解，那你就完全蒙圈。举个另外的例子，你看很多搞网络编程的兄弟，经常捧一本比砖头还厚的《TCP/IP详解》。以上这个观点，来自一本文集《Joel说软件》：抽象漏洞定律。我读完之后，深以为然。

从另外一个角度说，游戏开发技术是建立在很多概念之上的，引擎对这些概念进行了实现和封装，方便我们直接调用。但是，如果你并不理解这些概念，以及它背后的算法，那你对它的时间效率和空间效率等问题就很难有一个正确的把握。

So，尽管商业引擎越来越成熟，对于爱知求真的小伙伴，还是要沉下心，去深入学习，建立起稳固的知识体系。

Written on September 27th, 2016 by 房燕良