UE5 Shader基础学习笔记——01-12 图形管线/创建shader/数学节点/贴图压缩/LerpDotUV/常用向量/坐标空间/MinMaxClampSaturate/法线贴图混合

Posted 2023-02-15 清清！

UE5 Shader基础学习笔记——01-12 图形管线/创建shader/数学节点/贴图压缩/LerpDotUV/常用向量/坐标空间/MinMaxClampSaturate/法线贴图混合

• Lec01-02 The Graphics Pipeline 图形管线
• Lec03 First Shader 第一个shader
• Lec04 Basic Shader Math 基础数学节点
• Lec05 Understanding Texture Maps 贴图压缩设置
• Lec06 Lerp 线性插值
• Lec07 Dot 点乘 (etc.菲涅尔/灰度)
• Lec08 UV 纹理坐标
• Lec09 Input Vector 视线法线光线 (etc.远近mask)
• Lec10 View, World, Object, & Tangent Space 坐标空间 (etc.matcap,法线混合)
• Lec11 Min Max Clamp Saturate 最大最小钳制饱和
• Lec12 Blending Normal Maps 法线贴图混合方法

本系列学习资料来源，Ben Cloward的油管空间，本笔记主要对其中UE的部分进行记录

Lec01-02 The Graphics Pipeline 图形管线

Lec01 主要介绍一下这个系列的内容，该系列会从基础的单个节点的功能，到组合使用，由浅入深讲解Shader的技巧，同时对UE5和Unity一起讲解

Lec02 简要介绍了下渲染管线

• 我们在使用UE Unity maya等3D软件时，在CPU中产生3D数据， 通过Directx/Opengl 传递vertex data到图形驱动程序，驱动接着传递数据到GPU前端。
• 接着数据会传递到可编程的顶点处理器，也就是vertex shader起作用的地方，在这个地方会处理顶点数据。
  一个Vertex包括很多信息的组合（顶点位置，UV坐标，顶点色，法线等）。
  该部分顶点处理的功能，主要实现坐标系统变换，将信息从Object Space变换到Screen Projection Space，这样Vertex信息可以绘制到屏幕上。
  除了坐标变换的基本功能，在这一部分还可以做一些其他功能，比如顶点动画，UV动画，法线调整，计算一些信息存在顶点色中。
  当顶点处理器刚诞生时，GPU的大部分工作都会在里面实现，但到了现在，顶点处理阶段通常只会处理顶点变换，大部分魔法效果会在像素处理阶段的pixel shader实现，不过如果有些效果可以在顶点处理阶段实现则会节省性能
• 接着实现的是图元装配，把所有顶点装配成形状，接着光栅化和插值单元，转换成屏幕上的像素。
• 接着进入可编程的像素处理器，也就是pixel shader起作用的地方，使用来自CPU的信息和vertex shader操作后的信息一起输出效果，最后再经历一些最终的光栅操作。
• 以上是前向管线的做法，现代大部分使用延迟管线，也就是pixel shader输出颜色，法线，金属遮罩，粗糙度，写进g buffer，再进行最后的光照计算

进入引擎中，下面是直接采样和进行了UV动画的指令数差距，可以看到差了四个指令


有一种可以节省性能的方法是可以将计算动画的步骤挪到vertex shader中，可以使用vertex interpolator进行顶点插值，可以看到vertex shader的步骤多了四条，另外world position offset也是在vertex shader中实现的

Lec03 First Shader 第一个shader

主要讲了怎么创建项目，以及界面UI相关
在UE中可以使用Tool→Debug→WidgetReflector调整界面文字大小

Lec04 Basic Shader Math 基础数学节点

可以复习以前的PBR和数据类型相关内容
UE4 Material 101学习笔记——01-07 介绍/PBR基础/UV扭曲/数据类型/翻页动画/材质混合/性能优化

介绍了UV，time，add，subtract，multiply，divide，one minus

Lec05 Understanding Texture Maps 贴图压缩设置

• 对于贴图，设计师在外部软件设计编辑，处理的是未经压缩的文件
• 创建完成后贴图被转换为不再被编辑的中间格式（tga，png等）
• 导入游戏引擎时，引擎自动生成压缩后的图像格式，这些是会真正被加载到内存中的

贴图压缩大致参考（单位KB），左三种是压缩的，右三种是不压缩的
DXT1支持三通道压缩，DXT5支持四通道压缩，BC7支持三或者四通道

• 图中一级分辨率内存约差4倍 / 未压缩的贴图如果要使用，需要降低分辨率 / 4k纹理消耗很大 / 在压缩纹理中，使用A通道会使内存翻倍
• 在引擎中，可以调整贴图分辨率
  
  也可以选择是否使用A通道，可以看到不用A通道压缩少了一半
  
  如果不想压缩，可以在CompressionSettings选择UserInterface2D，可以看到Format变成B8G8R8A8，内存大小显著上升
  
  单通道可以选择Grayscale压缩去掉sRGB，对于彩色图案需要在Texture栏下勾上sRGB，法线则选择Normalmap

纹理在导入时也会生成Mipmaps，引擎会根据需要自动生成选择什么层级的Mipmap

Lec06 Lerp 线性插值

Lerp节点

$Lerp(y_1,y_2,weight)=(1-weight)\ast y_1+weight\ast y_2$

Lec07 Dot 点乘 (etc.菲涅尔/灰度)

Dot点乘
GAMES101课程学习笔记—Lec 02：Linear Algebra 线性代数回顾
一些点乘的例子，N dot V

灰度算法

充当mask

Lec08 UV 纹理坐标

解释啥是UV
GAMES101课程学习笔记—Lec 07~09：Shading 定义、着色模型、着色频率、图形渲染管线、纹理


UV坐标可以加减进行移动，乘除进行缩放

Lec09 Input Vector 视线法线光线 (etc.远近mask)

主要了解视线向量，法线，光向量

展示一些向量的用法，法线向上遮罩

NdotV简单的菲涅尔

计算相机向量，根据相机远近进行明暗变化

Lec10 View, World, Object, & Tangent Space 坐标空间 (etc.matcap,法线混合)

基本概念，可参考
LearnOpenGL学习笔记—入门07：Coordinate Systems

案例 将法线转入view space实现matcap
MatCap原理介绍及应用

案例 将法线从tangent space转入world space实现环境材质混合，如果想直接在模型顶部混合则转入local space就可以
UE4 Material 101学习笔记——01-07 介绍/PBR基础/UV扭曲/数据类型/翻页动画/材质混合/性能优化

Lec11 Min Max Clamp Saturate 最大最小钳制饱和

四个节点都用于限制数据范围
min 接受两个值输出小值
max 接受两个值输出大值
clamp 将值钳制在某范围
saturate 将值钳制在0~1

Lec12 Blending Normal Maps 法线贴图混合方法

注：该节有一个很好的学习资料，详细描述了多种法线混合方法 ——Blending in Detail

首先需要注意UE(左)和Unity(右)的法线G通道是翻转的

UE类似于从底部被点亮，Unity类似从顶部被点亮

法线贴图不像其他贴图，法线贴图中的每个像素都代表着方向向量，所以混合方式也有所不同
法线贴图案例

第一种简单的方法，取RG两个通道相加，第三个通道用1，不过这种做法会略微削减法线的力量感，但是比较节省性能，这种方法可以对于水面，雨水波纹等不怎么要求法线准确的效果

第二种是UDN方法，取第一张图的Z，会更准确，性能会比第一种消耗高一点

第三种是WhiteOut方法，这个名字是因为在AMD的Ruby : Whiteout演示中使用过，将Z通道乘起来，这样detail normal也会更明显，质量更好，但性能上消耗又更高一点

第四种是RNM方法，比较复杂但也是最精确的，也是UE自带的BlendAngleCorrectedNormals内使用的方法，和第三种差不多，效果上可能会好一些