UE4 ILC加载与渲染

Posted 2021-06-14 qiutang

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建议放大120%观看。该篇博文包括：

1. Level加载ILC到渲染线程的逻辑分析。
2. 渲染线程更新ILC数据的分析。
3. GPU、CPU的SH数据通信分析。

ILC是UE4动态物体预烘焙全局光照的一种解决办法，原理简单来说就是在烘焙场景光照时，按照特定规则在场景中摆放一些静态Box，然后光子评估时记录每个Box的受光信息，这些受光信息通过低阶球谐函数编码在MapBuildData中，渲染时，在CPU端根据世界空间坐标，在一个Bounds范围内逐Box插值，并将插值后的值传入GPU中，在Shader中逐像素解码球谐光并添加到间接光照中去。

总结的数据与逻辑关系：

UE4 灯光数据发生变化时（烘焙Lightmap、更改LightScenario等），将会触发UWorld::PropagateLightingScenarioChange()。

在该函数中，将会调用ULevel::InitializeRenderingResources()，重新初始化当前UWorld中每个已加载的子关卡（存放在UWorld::Levels数组中）的烘焙光照数据。

每个ULevel都持有一份FPrecomputedLightVolume数据，里面存储了ILC数据。

红框部分调用FPrecomputedLightVolume::AddToScene函数将PrecomputedLightVolume数据压入渲染线程：

该函数通过GetLevelPrecomputedLightVolumeBuildData(LevelBuildDataId)获取对应Level的ILC数据，接着通过宏ENQUEUE_RENDER_COMMAND做好数据的Binding，最后调用FScene::AddPrecomputedLightVolume注册到渲染场景中。

FScene中使用PrecomputedLightVolumes一维指针数组简单存储每个Level中的ILC数据(它将会在后面的采样插值时用到)，并且使用类FIndirectLightingCache来处理ILC的更新、插值等计算。

在函数FIndirectLightingCache::SetLightingCacheDirty中，遍历判断当前FScene中存储的每个几何体是否和压入的Level Precomputed LightVolume（ILC Bounds）相交，然后分别做好脏标记。

此时，从游戏线程压入ILC数据的逻辑处理已完成，接下来是渲染线程的更新。

UE4为多个平台都分别写了一个渲染器，移动端渲染器入口函数为FMobileSceneRenderer::Render，每帧调用。

渲染函数一开始，将会进入InitViews函数，在该函数中处理几何体可见性剔除和ubo更新等。

InitViews函数在可见性剔除计算完后立即进入PostVisibilityFrameSetup函数中：

在PostVisibilityFrameSetup中将会启用FIndirectLightingCache的StartUpdateCachePrimitivesTask填充任务：

FUpdateCachePrimitivesTask为FIndirectLightingCache的TaskGraph代理类，在其DoTask函数中将调用对应的Update函数，更新所有受ILC影响的Primitive：

函数UpdateCachePrimitivesInternal有一些简单的逻辑判断，但最终还是会进入FIndirectLightingCache::UpdateCachePrimitive，根据先前已经设置的ILC脏标记bIsDirty调用FIndirectLightingCache::UpdateCacheAllocation，来更新FScene中每个脏掉的Primitive的ILC。

UpdateCacheAllocation主要用于更新VolumeBlocks中的数据，它的主要逻辑如下：

ILC默认为SH点采样，首先通过FindBlock查找当前Primitive对应的ILC Block：

先介绍VolumeBlocks是如何填充的：

为游戏场景添加几何体时，将会触发FPrimitiveSceneInfo::AddToScene函数。

如果是首次添加，还会触发FIndirectLightingCache::AllocatePrimitive函数：

AllocatePrimitive函数将会调用CreateAllocation初始化ILC Block：

FIndirectLightingCacheBlock为简单的数据存储类。

TexelSize记录了采样盒体的大小：

接下来利用CalculateBlockPositionAndSize函数计算ILC计算所使用的BoundBox大小。

然后稍微缩放一下Bounds：

注意这里会根据原有的Primitive Bounds做一些阶梯函数式的缩放，确保物体的包围盒改变不大时保持ILC结果相对稳定，减少高频移动物体的ILC闪烁。

此时，VolumeBlocks填充完毕。

回到UpdateCacheAllocation，找到当前PrimitiveAllocation对应的 ILC Block后，同样先更新一下ILC Block Bounds，然后填入BlocksToUpdate和TransitionsOverTimeToUpdate中。

FBlockUpdateInfo就一个暂存数据的结构体，里面的Allocation指针指向每个PrimitiveAllocation的FIndirectLightingCacheAllocation。

BlocksToUpdate和TransitionsOverTimeToUpdate将通过引用填入到InitViews函数的ILCTaskData中：

在InitViews一大堆RenderPass Setup设置计算完成后，再用ILCTaskData来一次FinalizeCacheUpdates保证所有ILC计算完毕，同时尽可能多利用多线程的计算优势。

在该函数中Flush ILC的计算任务如下，可以看到先前填充的ILCTaskData将会在这里用于SH的插值计算：

计算主要逻辑位于UpdateBlocks中：

VLM和ILC的插值都混杂在这里，重点观察InterpolatePoint函数：

先前在GameThread填入的PrecomputedLightVolumes在这里派上了用场。

在FPrecomputedLightVolume::InterpolateIncidentRadiancePoint函数中，利用已建好的渲染场景八叉树结构加速空间相交查询，然后根据两点之间的间距插值。

408到410行的注释阐述了UE4的一点优化，ILC采样点在生成时，都会有一个采样半径（权重），该采样半径（权重）将会在这里参与插值计算。

414行应该是4.26.2的新优化，为ILC采样加入了SkyBentNormal的影响，这样理论上可以减少漏光，但我测试好像没啥卵用。

球谐光插值需要注意的细节之一就是减低振铃现象。

这里有个很不错的相关论文：

Deringing Spherical Harmonics - Peter-Pike Sloan

UE4的做法很独特：

注意第959行的注释，他们加了个0.05%的最低亮度，应该是积累的经验数字。

至此，CPU端的ILC插值计算完毕。

GPU SH参数的GPU更新部分：

在MobileRenderer正式渲染开始前，先调用UpdatePrimitiveIndirectLightingCacheBuffers函数更新ILC数据：

在该函数中，逐物体调用UpdateIndirectLightingCacheBuffer函数：

最终会调用到GetIndirectLightingCacheParameters函数：

这里的LightingAllocation指针和上文提到的填充到FBlockUpdateInfo中的Allocation指针的地址相同，它的数据已经在对应的Task中插值更新完了。

如果开启了ILC就填入对应的数据。

接下来调用RHI函数将数据更新到GPU：

FIndirectLightingCacheUniformParameters结构和GPU保持一致的声明：

Shader部分，直接使用解码SH即可：

最后。