UE4Shader代码初探
BasePassPixelShader.usf
BasePassPixelShader.usf是理解Unreal Shader最好的切入点。
下面是Unreal官方文档shader开发给出的简单说明：
典型的材质像素着色器类型将先通过调用 GetMaterialPixelParameters 顶点工厂函数来创建 FMaterialPixelParameters 构造。GetMaterialPixelParameters 将特定于顶点工厂的输入转换为任何过程可能想访问的属性，例如 WorldPosition 和 TangentNormal 等等。然后，材质着色器将调用 CalcMaterialParameters，后者将写出
FMaterialPixelParameters的其余成员，之后FMaterialPixelParameters完全初始化。然后，材质着色器将通过 MaterialTemplate.usf 中的函数来访问该材质的某些输入（例如，通过 GetMaterialEmissive 访问材质的自发光输入），执行一些明暗处理，然后输出该过程的最终颜色。
上文中出现的函数和结构体均可以在BasePassPixelShader.usf文件当中找到对应的位置。而提到的MaterialTemplate.usf 文件则可以查看各种函数的实现。
GetMaterialPixelParameters
FMaterialPixelParameters
CalcMaterialParameters
GetMaterialEmissive
首先观察函数FPixelShaderInOut_MainPS
这里主要是在对Gbuffer(FPixelShaderOut)进行填充。
// is called in MainPS() from PixelShaderOutputCommon.usf
void FPixelShaderInOut_MainPS(FVertexFactoryInterpolantsVSToPS Interpolants,
FBasePassInterpolantsVSToPS BasePassInterpolants,
in FPixelShaderIn In,
inout FPixelShaderOut Out)
{
//像素着色器的主要计算过程
}
PixelShaderOutputCommon.ush
根据上一段代码的注释可以延展到这个文件：PixelShaderOutputCommon.ush
文件的内容很少，就是一个通用的Shader文件，当中包括了所有Pixel的公用入口：
void MainPS
(...)
{
}
里面大量的宏控制了输入的输出的结构体类型。
MaterialTemplate.usf
从这个文件名字可以看出这是定义材质模板的头文件。
包括了VS-PS结构体的定义：
struct FMaterialPixelParameters
{
...
/** Interpolated vertex color, in linear color space. */
half4 VertexColor;
/** Normalized world space normal. */
half3 WorldNormal;
... ...
};
定义了重要的空间转换函数：
float3 GetTranslatedWorldPosition_NoMaterialOffsets(FMaterialPixelParameters Parameters)
float4 GetScreenPosition(FMaterialVertexParameters Parameters)
float4 GetScreenPosition(FMaterialPixelParameters Parameters)
float2 GetSceneTextureUV(FMaterialVertexParameters Parameters)
各种材质函数：
MaterialFloat2 GetLightmapUVs(FMaterialPixelParameters Parameters)
half3 GetMaterialNormal(FMaterialPixelParameters Parameters, FPixelMaterialInputs PixelMaterialInputs)
half3 GetMaterialEmissive(FPixelMaterialInputs PixelMaterialInputs)
half GetMaterialMetallic(FPixelMaterialInputs PixelMaterialInputs)
从函数和变量名可以看到代码很好理解。
TiledDeferredLightShaders.usf
Unreal默认时使用Deferred渲染，上面的三个文件都是Geometry阶段的代码。而这个文件就是LIght阶段的代码。
Unreal使用TiledDeferredLight策略，和Unity HDRP的光照策略接近。
入口函数，可以看到这个和Unity的HDRP一样使用了ComputeShader来计算：
[numthreads(THREADGROUP_SIZEX, THREADGROUP_SIZEY, 1)]
void TiledDeferredLightingMain(
uint3 GroupId : SV_GroupID,
uint3 DispatchThreadId : SV_DispatchThreadID,
uint3 GroupThreadId : SV_GroupThreadID)
{
...
}
除了线程同步之外的操作，关键的就是TIle的灯光列表的获取，通过边界剪裁获取影响每一个tile的灯光列表：
// Compute per-tile lists of affecting lights through bounds culling
// Each thread now operates on a sample instead of a pixel
// 计算影响tile的灯光列表，这里的计算以Tile为单位而非pixel
LOOP
for (uint LightIndex = ThreadIndex; LightIndex < NumLights && LightIndex < MAX_LIGHTS; LightIndex += THREADGROUP_TOTALSIZE)
{
...
}
//GPU线程同步
GroupMemoryBarrierWithGroupSync();
在灯光列表计算完成之后，就是再次遍历这个灯光列表，进行光照计算：
...
BRANCH
if (InGBufferData.ShadingModelID != SHADINGMODELID_UNLIT)
{
// 遍历每一个灯光，读取灯光信息，填充LightData，这里和Unity出奇的相似。
LOOP
for (uint TileLightIndex = 0; TileLightIndex < NumLightsAffectingTile; TileLightIndex++)
{
uint LightIndex = TileLightIndices[TileLightIndex];
FDeferredLightData LightData = (FDeferredLightData)0;
...
// Lights requiring light attenuation are not supported tiled for now
CompositedLighting += GetDynamicLighting(WorldPosition, CameraVector, ScreenSpaceData.GBuffer, ScreenSpaceData.AmbientOcclusion, InGBufferData.ShadingModelID, LightData, float4(1, 1, 1, 1), 0.5, uint2(0,0));
}
// 遍历每一个灯光，读取灯光信息，填充LightData，这里和Unity出奇的相似。和上面区别是灯光类型不同光照复杂程度不同
LOOP
for (uint TileLightIndex = 0; TileLightIndex < NumSimpleLightsAffectingTile; TileLightIndex++)
{
uint LightIndex = TileSimpleLightIndices[TileLightIndex];
FSimpleDeferredLightData LightData = (FSimpleDeferredLightData)0;
...
// todo: doesn't support ScreenSpaceSubsurfaceScattering yet (not using alpha)
CompositedLighting.rgb += GetSimpleDynamicLighting(...);
}
}
最终写出光照结果：
BRANCH
if (all(DispatchThreadId.xy < ViewDimensions.zw))
{
// One some hardware we can read and write from the same UAV with a 32 bit format. We don't do that yet.
RWOutTexture[PixelPos.xy] = InTexture[PixelPos.xy] + CompositedLighting;
}
DeferredLightingCommon.ush
这个文件延展自上一小节，TiledDeferredLightShaders.usf文件中的光照计算代码GetDynamicLighting和GetSimpleDynamicLighting就是来自这个文件。
GetDynamicLighting函数简要代码如下:
/** Calculates lighting for a given position, normal, etc with a fully featured lighting model designed for quality. */
float4 GetDynamicLighting(float3 WorldPosition, float3 CameraVector, FGBufferData GBuffer, float AmbientOcclusion, uint ShadingModelID, FDeferredLightData LightData, float4 LightAttenuation, float Dither, uint2 Random)
{
FLightAccumulator LightAccumulator = (FLightAccumulator)0;
float3 V = ...;
float3 N = ...;
float3 L = ...; // Already normalized
float3 ToLight = ...;
float NoL = ...;
float DistanceAttenuation = 1;
float LightRadiusMask = 1;
float SpotFalloff = 1;
...
BRANCH
if (LightRadiusMask > 0 && SpotFalloff > 0)
{
float SurfaceShadow = 1;
float SubsurfaceShadow = 1;
BRANCH
if (LightData.ShadowedBits)
GetShadowTerms(...);
else
SurfaceShadow = AmbientOcclusion;
...
if( LightData.ShadowedBits < 2 && GBuffer.ShadingModelID == SHADINGMODELID_HAIR )
{
SubsurfaceShadow = ShadowRayCast(...);
}
...
float3 LobeEnergy = AreaLightSpecular(LightData, LobeRoughness, ToLight, L, V, N);
float3 SurfaceLighting = SurfaceShading(GBuffer, LobeRoughness, LobeEnergy, L, V, N, Random);
float3 SubsurfaceLighting = SubsurfaceShading(GBuffer, L, V, N, SubsurfaceShadow, Random);
...
}
return LightAccumulator_GetResult(LightAccumulator);
}
从化简后的代码可以清楚的看出他的代码结构，而AreaLightSpecular、SurfaceShading和SubsurfaceShading就是光照计算的关键，我们的讨论到此为止，而接下来的内容涉及到光照函数、阴影算法、光照策略之后再讨论。