网格体绘制管道

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本页包含的信息适用于那些想要添加自定义网格体通道,或者想要理解虚幻引擎4 (UE4)网格绘制性能特征的程序员。

网格体绘制管道 基于保留模式的概念,其中所有场景绘制都是预先准备好的,而不是每帧都构建它们。它还具有积极缓存和绘制调用合并功能,以便利用静态网格体的属性,这些属性很少变化,可以跨帧重用。

MeshPipelineOverview_1.png

绘制之旅。

网格体渲染从"FPrimitiveSceneProxy"开始,这是游戏线程的"UPrimitiveComponent"渲染线程表示。"FPrimitiveSceneProxy"负责通过对"GetDynamicMeshElements"和"DrawStaticElements"的回调将FMeshBatch提交给渲染器。

"FMeshBatch"将"FPrimitiveSceneProxy"实现(用户代码)与网格体通道(私有渲染器模块)解耦。它包含了通道确定最终着色器绑定和渲染状态所需的所有内容,因此代理永远不知道将在哪些通道中渲染。 

下一步是将"FMeshBatch"转换为一个特定于网格体通道的"FMeshDrawCommand"。"FMeshDrawCommand"是"FMeshBatch"和RHI之间的接口。它是一个完全无状态的绘制描述,存储了RHI需要知道的,关于网格体绘制的所有信息: 

  • 要使用的着色器。

  • 其资源绑定。

  • 绘制调用参数。

这允许在RHI级别之上缓存和合并绘制调用。"FMeshDrawCommand"是由一个特定于网格体通道的"FMeshPassProcessor"根据"FMeshBatch"创建的。

最后,"SubmitMeshDrawCommands"用于将"FMeshDrawCommand"转换为RHICommandList上设置的一系列RHI命令。

缓存和动态网格体批次

"FPrimitiveSceneProxy"有两个生成"FMeshBatches"的路径:缓存路径和动态路径。"FPrimitiveSceneProxy"实现通过"GetViewRelevance()"函数控制每个帧使用的路径。

MeshPipelineOverview_2.png

"FMeshBatch"代码路径。橙色箭头表示每帧都必须执行的操作,而蓝色箭头表示执行一次就缓存的操作。

缓存的路径构建并重用"FMeshBatch",对于不改变每一帧(比如静态网格体)的绘制,它是快速渲染的首选路径。这是由"DrawStaticElements"实现的,当一个代理被添加到场景中时会调用此函数。创建的"FMeshBatches"存储在"FPrimitiveSceneInfo::StaticMeshes"中,并且每一帧都被重用,直到从场景中删除代理为止。

动态路径每一帧重新创建"FMeshBatch"。这是最灵活的路径,用于在帧与帧之间经常会发生变化的绘制,例如粒子。它由"GetDynamicMeshElements"实现。该函数从InitViews中调用每一帧,并为每个视图创建一个临时的"FMeshBatch"。

FMeshPassProcessor

特定的通道网格体处理器派生自"FMeshPassProcessor"基类,负责将"FMeshBatch"转换为用于给定通道的网格体绘制命令。这是最终的绘制筛选发生的地方,会选择适当的着色器并收集着色器绑定。

为了创建一个自定义网格体通道处理器,它必须派生自"FMeshPassProcessor",且需要覆盖"AddMeshBatch"函数。

"AddMeshBatch"实现:

  • 绘制筛选 - 例如,如果一个材质具有半透明的绘制模式,那么不要在"FDepthPassMeshProcessor"中处理它。

  • 选择着色器和管道状态(深度/模具/混合状态)

  • 最后调用"BuildMeshDrawCommands()",它为通道/材质/顶点factory/基元收集着色器绑定,并将新的绘制命令添加到相关列表中。

着色器绑定

UE4中的着色器绑定可以是统一缓冲区、采样器、纹理、着色器资源视图或松散参数("FShaderParameter")。

"FMeshPassProcessor"不将着色器绑定随随RHICmdList.SetShaderParameter一起直接发送到RHI,它只将它们记录到"FMeshDrawSingleShaderBindings"类中。函数"BuildMeshDrawCommands()"在所有通道之间共享代码,它将在通道着色器上调用"GetShaderBindings()"。  

着色器绑定可分为几个类别:

  • 通道常量统一缓冲区,例如"ViewUniformBuffer"或"DepthPassUniformBuffer"

  • 顶点Factory绑定

  • 材质绑定

  • 基元绑定

  • 通道特定的绑定,在绘制之间会发生更改。

注意,每次绘制设置不同的绑定可以防止绘制调用合并。此外,设置松散参数(即不位于统一缓冲区中的着色器参数)可以防止绘制调用合并,从而迫使绘制之间的常量缓冲区更新放慢。

因为每个"FMeshPassProcessor"必须通过"BuildMeshDrawCommands()"来调用通道着色器的"GetShaderBindings()",所以我们需要一种机制来将任意数据从"FMeshPassProcessor"传递到"GetShaderBindings()"调用。这是通过"ShaderElementData"参数到"BuildMeshDrawCommands()"来完成的。

FMeshDrawCommand性能危害

"FMeshDrawCommand"中使用了许多内联分配器来存储可变长度的数组,而不需要额外的堆分配。溢出这些会导致性能风险,因为每个网格体绘制命令在遍历命令时必须构造/销毁/复制堆分配以及缓存丢失。

"FMeshDrawShaderBindings"假设 2 着色器频率(顶点 + 像素):

TArray<FMeshDrawShaderBindingsLayout, TInlineAllocator<2>>ShaderLayouts

"FMeshDrawCommand"假设所有频率之间有 10 个着色器绑定:

const int32 NumInlineShaderBindings = 10;

"FMeshDrawCommand"假设来自顶点factory的 4 个顶点流送:

typedef TArray<FVertexInputStream, TInlineAllocator<4>>FVertexInputStreamArray;

通道类型

有三种方法来使用"FMeshPassProcessor"绘制:

通道类型

说明

"EMeshPass::Type"枚举

在此处添加一个条目会在"FScene"中分配一个"FParallelMeshDrawCommandPass"。这使得"FScene"能够在"AddToScene"时间缓存通道的网格体绘制命令。"FMeshPassProcessor"必须使用"FRegisterPassProcessorCreateFunction"注册到它们的枚举中。通道设置和调度发生在任务中。

手动通道

使用手动通道,其中"FParallelMeshDrawCommandPass"作为变量存储在任意类中。当每个帧的通道数可变时(例如,阴影深度通道),就会使用这种方法。这种类型的通道不能在"FScene::AddToScene"时间缓存命令,但仍然可以获得在任务中设置和调度通道的好处。

"DrawDynamicMeshPass"

这用于即时模式绘制,是最慢但最方便的方法。通道设置和调度立即在调用者线程中发生。

注意,目前渲染器还没有扩展到插件,除了"DrawDynamicMeshPass"之外,添加新的通道需要更改渲染器模块代码。

FParallelMeshDrawCommandPass

为了添加自定义网格体通道,首先我们需要向"EMeshPass"枚举添加一个新条目。接下来,在"FRelevancePacket::MarkRelevant()"中,根据相关标记,将静态网格体添加到可见网格体绘制命令列表中。例如,这段代码添加了一个网格体绘制命令到深度通道(如果它与深度通道相关):

if (StaticMeshRelevance.bUseForDepthPass)
{
    DrawCommandPacket.AddCommandsForMesh(PrimitiveIndex, PrimitiveSceneInfo, StaticMeshRelevance, StaticMesh, Scene, bCanCache, EMeshPass::DepthPass);
}

在"ComputeDynamicMeshRelevance"中标记"EMeshPass"与动态绘制的相关性:

if (ViewRelevance.bDrawRelevance && (ViewRelevance.bRenderInMainPass || ViewRelevance.bRenderCustomDepth))
{
    PassMask.Set(EMeshPass::DepthPass);
    View.NumVisibleDynamicMeshElements[EMeshPass::DepthPass] += NumElements;
}

使用"FParallelMeshDrawCommandPass::DispatchDraw"绘制该特定通道:

View.ParallelMeshDrawCommandPasses[EMeshPass::DepthPass].DispatchDraw(nullptr, RHICmdList);

也可以设置一个并行命令列表集,以便并行地绘制该通道:

FPrePassParallelCommandListSet ParallelCommandListSet(View, this, ParentCmdList, true, DrawRenderState); 
View.ParallelMeshDrawCommandPasses[EMeshPass::DepthPass].DispatchDraw(&ParallelCommandListSet, ParentCmdList);

DrawDynamicMeshPass

"FParallelMeshDrawCommandPass"是常用网格体通道的默认路径。它应该用于性能关键型网格体通道,因为它是唯一支持网格体绘制命令缓存和并行渲染的路径。另一方面,性能要求执行非常严格的设计,例如,在InitViews之后不可能修改网格体绘制命令或着色器绑定。

对于某些用例,例如在编辑器中绘制一些网格体,"DrawDynamicMeshPass"可能是一个更简单的解决方案。它提供即时模式网格体绘制,是最灵活的渲染路径。UE4使用"DrawDynamicMeshPass"进行一些纯编辑器通道和画布的渲染。

使用"DrawDynamicMeshPass"绘制非常简单,只需要传递一个lambda,它将填充网格体绘制命令的临时列表:

DrawDynamicMeshPass(View, RHICmdList, [&View, CurrentDecalStage, RenderTargetMode](FDynamicPassMeshDrawListContext* DynamicMeshPassContext)
{
    FMeshDecalMeshProcessor PassMeshProcessor(
        View.Family->Scene->GetRenderScene(),
        &View,
        CurrentDecalStage,
        RenderTargetMode,
        DynamicMeshPassContext);

    for (int32 MeshBatchIndex = 0; MeshBatchIndex < View.MeshDecalBatches.Num(); ++MeshBatchIndex)
    {
        const FMeshBatch* Mesh = View.MeshDecalBatches[MeshBatchIndex].Mesh;
        const FPrimitiveSceneProxy* PrimitiveSceneProxy = View.MeshDecalBatches[MeshBatchIndex].Proxy;
        const uint64 DefaultBatchElementMask = ~0ull;

        PassMeshProcessor.AddMeshBatch(*Mesh, DefaultBatchElementMask, PrimitiveSceneProxy);
    }
});

缓存的网格体绘制命令

缓存的网格体绘制命令是"FPrimitiveSceneInfo::CacheMeshDrawCommands"中内置的"FPrimitiveSceneInfo::AddToScene"。使用这些命令绘制非常有效,因为我们只需每帧选择适当的预构建命令即可("FDrawCommandRelevancePacket::AddCommandsForMesh")。只有在绘制状态不每帧都改变,且可以在AddToScene内设置所有着色器绑定时,才能缓存的绘制命令。

MeshPipelineOverview_3.png

网格体绘制命令缓存路径。橙色箭头表示每帧都必须执行的操作,而蓝色箭头表示执行一次就缓存的操作。

为了支持缓存的网格体绘制命令:

  • 该通道必须正在使用"EMeshPass::Type"中的条目

  • 注册自定义网格体处理器时必须传递"EMeshPassFlags::CachedMeshCommands"标记

  • 网格体通道处理器需要能够设置所有的着色器绑定,而不依赖于"FSceneView",因为在缓存期间它将是空的

为了让着色器使用缓存的网格体绘制命令访问每帧数据,我们绑定了场景范围的统一缓冲区(请参阅"FScene::UniformBuffers"),然后使用"RHIUpdateUniformBuffer"在绘制之前更改它们的内容。

目前,只有"FLocalVertexFactory (UStaticMeshComponent)"可以被缓存,因为所有其他顶点factory都需要为它们的着色器绑定设置一个视图。

缓存失效

网格体通道处理器在"AddMeshBatch"中读取的任何数据都依赖于缓存的网格体绘制命令。当该依赖性发生更改时,缓存的命令必然失效。使用"FPrimitiveSceneInfo::BeginDeferredUpdateStaticMeshes"可以使单个基元缓存的命令失效。 通过将"Scene->bScenesPrimitivesNeedStaticMeshElementUpdate"设置为"true",可以使整个场景缓存的命令无效。这是一个重负荷的操作,在游戏过程中应该避免,因为它会在较大的场景中造成卡顿。

例如,"FBasePassMeshProcessor::AddMeshBatch"使用"Scene->SkyLight"决定是否选择天空光源着色器置换。当"Scene-SkyLight"更改时,我们必须使缓存的网格体绘制命令无效。

为了通过这种缓存方案获得良好的性能,将数据放在持久的统一缓冲区中非常重要。然后,您需要更新这些缓冲区,而不是频繁地使缓存的命令失效。例如,天空光源案例可以根据"PassUniformBuffer"内容更改为着色器中的一个动态分支,而不是选择不同的着色器Permutation。

资源生命周期管理

"FMeshDrawCommand"不负责维护它引用的任何资源的生命周期,因此必须对缓存的网格体绘制命令特别小心,以使可能引用特定资源的命令无效。例如,当重新创建由缓存的网格体绘制命令引用的统一缓冲区时,在遍历用于渲染的缓存网格体绘制命令时将导致崩溃。应该更新统一缓冲区,否则缓存的网格体绘制命令必然会无效。

"VALIDATE_UNIFORM_BUFFER_LIFETIME"可用于跟踪删除统一缓冲区的情况,该缓冲区仍然由缓存的网格体绘制命令引用。

绘制调用合并

因为"FMeshDrawCommands"捕获了绘制在RHI级别之上所需的所有状态,所以我们可以很容易地比较它们与绘制调用合并的兼容性。目前实现的绘制调用合并的唯一形式是基于D3D11特性集,它支持将具有相同着色器绑定的绘制调用合并到实例化绘制中。更高级的RHI,例如D3D12,可以更积极地合并绘制,但这还没有实现。

动态实例化

为了将两个绘制合并到一个实例化绘制中,它们必须具有相同的着色器绑定("FMeshDrawCommand::MatchesForDynamicInstancing")。只有着色器中的InstanceID会在它们之间变化,或者顶点流送在实例频率方面的设置。

着色器参数必须精心设计以支持动态实例化。这可根据参数频率通过多种方式实现:

通道类型

说明

通道参数(Pass Parameters)

它们被放置在通道统一缓冲区中,在这里可以合并通道中的任何绘制。

FLocalVertexFactory参数(FLocalVertexFactory Parameters)

它们被放置在一个由"UStaticMesh"拥有的统一缓冲区中,其中,任何具有相同"UStaticMesh"的绘制都可以合并。

材质实例参数(Material Instance Parameters)

它们放置在材质统一缓冲区中,其中,任何使用相同材质实例的绘图都可以合并。

光照贴图资源参数(Lightmap Resource Parameters)

它们被放置在一个"LightmapResourceCluster"统一缓冲区中,其中,任何使用相同"LightmapTexture"的绘图都可以合并。

基元参数(Primitive Parameters)

它们被放置在名为"GPUScene"的场景范围的基元数据缓冲区中,并使用"PrimitiveID"在着色器中索引。

GPU场景

为了在相同的实例化绘制中使用不同的基元参数,支持平台("UseGPUScene")将它们上载到场景范围的缓冲区("UpdateGPUScene"),并使用"PrimitiveId"索引到其中。对于"FLocalVertexFactory",PrimitiveId来自一个实例频率的顶点输入流。这必须传递给像素着色器,它必须使用"GetPrimitiveData(Parameters.PrimitiveId).Member"来访问基元着色器参数,而不是直接访问基元统一缓冲区("Primitive.Member")。

实例化效率

目前,只有缓存的网格体绘制命令可以与动态实例化合并,这将动态实例化限制为"FLocalVertexFactory"。 

某些边缘情况也会阻止合并:

  • 光照贴图制作小纹理 - 调整"DefaultEngine.ini"中的 MaxLightmapRadius

  • 每组件顶点颜色

  • SpeedTree Wind 节点

要调查某个关卡中的动态实例化效率,可以使用 r.MeshDrawCommands.LogDynamicInstancingStats 1 控制台命令并检查日志中的输出。

注意,深度预通道(Depth Prepass)阴影深度(Shadow Depth) 通道实现了更高的合并效率,因为它们经常在可能的情况下使用默认材质的着色器覆盖。

网格体绘制并行性

网格体绘制的大部分工作都是在任务中完成的,以远离渲染线程的关键路径。在RT帧开始时的InitViews中,"FParallelMeshDrawCommandPass"为通道设置(动态命令生成、排序和绘制调用合并)针对每个通道发出一个任务。随着渲染线程通过帧进行并到达网格体通道(例如,RenderBasePass),它为绘制调度的每个通道启动多个"FDrawVisibleMeshCommandsAnyThreadTasks"(记录"RHICmdList"),这取决于系统的核心数量和要调度的绘制数量。

  • r.MeshDrawCommands.ParallelPassSetup 设置为 0 会禁用通道设置任务,并使工作在渲染线程上完成,这对于调试非常有用。

  • r.RHICmdBasePassDeferredContexts 设置为 0 会禁用基础通道绘制调度的并行任务,导致这些任务发生在渲染线程上。

这些任务通过依赖关系链尽早启动,因此可以与帧的渲染线程并行执行。渲染线程只在"FSceneRenderer::WaitForTasksClearSnapshotsAndDeleteSceneRenderer"中的帧末尾时阻塞这些任务的完成。

控制台变量

这些是一些有用的控制台变量,用于诊断网格体绘制管道中的问题:

控制台变量

说明

"r.MeshDrawCommands.ParallelPassSetup"

切换网格体绘制命令处理任务,这对于诊断网格体通道线程问题非常有用。

"r.MeshDrawCommands.UseCachedCommands"

禁用时强制让所有网格体绘制命令都成为动态,这对于诊断缓存的网格体绘制命令中陈旧数据的问题非常有用。

"r.MeshDrawCommands.DynamicInstancing"

这将切换动态实例化。它对于诊断动态实例化问题很有用。

"r.MeshDrawCommands.LogDynamicInstancingStats"

这对于检查动态实例化效率非常有用。

"r.GPUScene.UploadEveryFrame"

强制每一帧都完全更新GPU场景,这对于诊断陈旧的GPU场景数据的问题很有用。

"r.GPUScene.ValidatePrimitiveBuffer"

这将把GPU场景下载到CPU,并根据基元统一缓冲区验证其内容。

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