[Unreal Engine] Vertex Stream配置机制解析

[Unreal Engine] Vertex Stream配置机制解析

顶点流（Vertex Stream）配置通常是配置一个光栅化硬件管线的第一步。这一步对应硬件中的输入装配阶段（Input Assembler，IA），通常IA是一个由固定硬件实现的阶段，它基于设置的顶点流格式来解析顶点属性，并将其送入下一阶段顶点着色器中。

好像之前还没见过讲这块的文章，所以这篇文章来研究下UE是怎么实现一个通用的顶点流配置和绑定对应顶点着色器的。

顶点流格式配置

在UE中，这一步嵌套在Mesh渲染中，由一个FMeshBatch中指定的FVectoryFactory对象配置。顶点流配置通常在如下代码中配置：

// .h
​
class FACustomVertexFactory : public FVertexFactory
{
    DECLARE_VERTEX_FACTORY_TYPE_API(FVoxelMeshVertexFactory, VOXELMESH_API)
    
    struct FDataType
    {
        FVertexStreamComponent PositionStream;
        FVertexStreamComponent NormalStream;
    };
    
    void InitRHI(FRHICommandListBase& RHICmdList) override
    {
        FVertexDeclarationElementList Elements;
​
        Elements.Add(AccessStreamComponent(Data.PositionStream, 0));
        Elements.Add(AccessStreamComponent(Data.NormalStream, 1));
​
        AddPrimitiveIdStreamElement(EVertexInputStreamType::Default, Elements, /* AttributeIndex = */ 1, /* AttributeIndex_Mobile = */0xFF);
        InitDeclaration(Elements);
    }
​
    FDataType Data;
};
​

这就添加了两个顶点流配置。

其中，因为FVertexStreamComponent的构造函数长这样：

FVertexStreamComponent(const FVertexBuffer* InVertexBuffer, uint32 InOffset, uint32 InStride, EVertexElementType InType, EVertexStreamUsage Usage = EVertexStreamUsage::Default);
    
FVertexStreamComponent(const FVertexBuffer* InVertexBuffer, uint32 InStreamOffset, uint32 InOffset, uint32 InStride, EVertexElementType InType, EVertexStreamUsage Usage = EVertexStreamUsage::Default);

一眼就看出是运行时去配置的。一般设置这个的时机可能是在子类继承的FSceneProxy::CreateRenderThreadResources(FRHICommandListBase& RHICmdList)函数中。反正在VertexBuffer创建和上传完成后在渲染线程的任意时机设置一下就好了。

最后自定义VertexFactory中，记得覆盖这三个静态函数。这三个函数会在IMPLEMENT_VERTEX_FACTORY_TYPE宏中被静态注册使用，所以直接隐藏基类的函数就完事了。解释写注释里了：

// .h
​
class FACustomVertexFactory : public FVertexFactory
{ 
    /// 根据当前的FVertexFactoryShaderPermutationParameters状态，判断是否应该编译到这个派生状态。
    ///
    /// 搞个这个函数无非就是为了减少Shader变体。至于这些变体哪来的，下面将绑定顶点着色器Shader时会讲到。
    static VOXELMESH_API bool ShouldCompilePermutation(const FVertexFactoryShaderPermutationParameters& Parameters);
​
    /// 配置Shader编译环境。可以添加(修改)虚拟路径映射，也可以修改宏定义等等。
    static VOXELMESH_API void ModifyCompilationEnvironment(const FVertexFactoryShaderPermutationParameters& Parameters, FShaderCompilerEnvironment& OutEnvironment);
    
    /// 跟预缓存PSO的机制有关，好像不在这里配置也无所谓，只是不会被缓存。
    /// 
    /// 没被缓存到的顶点流配置会在第一次被使用时创建。
    static VOXELMESH_API void GetPSOPrecacheVertexFetchElements(EVertexInputStreamType VertexInputStreamType, FVertexDeclarationElementList& Elements);
};

众所周知，UE的DECLARE_宏和IMPLEMENT_宏是互相配套的，那么我们要如何用这IMPLEMENT_宏来静态注册我们的VertexFactory呢？

// .cpp
​
IMPLEMENT_VERTEX_FACTORY_TYPE(FACustomVertexFactory, "/ACustomShaderPath/ACustomVertexFactory.ush",
                              EVertexFactoryFlags::UsedWithMaterials
                              | EVertexFactoryFlags::SupportsStaticLighting
                              | EVertexFactoryFlags::SupportsDynamicLighting
                              | EVertexFactoryFlags::SupportsCachingMeshDrawCommands
                              | EVertexFactoryFlags::SupportsPSOPrecaching
);

这样就好。注意这里的Shdare文件后缀名是.ush。这里与UE为了复用代码搞出来的神奇操作有关，稍后就会讲到。

最后，我们需要声明我们自定义着色器的参数，就类似加一个GlobalShader要设置的参数。当然要记得继承一个基类FVertexFactoryShaderParameters：

// .h
​
class FACustomVertexFactoryVertexShaderParameters : public FVertexFactoryShaderParameters
{
    DECLARE_TYPE_LAYOUT(FACustomVertexFactoryVertexShaderParameters, NonVirtual);
public: 
    void GetElementShaderBindings(
        const class FSceneInterface* Scene,
        const FSceneView* InView,
        const class FMeshMaterialShader* Shader,
        const EVertexInputStreamType InputStreamType,
        ERHIFeatureLevel::Type FeatureLevel,
        const FVertexFactory* VertexFactory,
        const FMeshBatchElement& BatchElement,
        class FMeshDrawSingleShaderBindings& ShaderBindings,
        FVertexInputStreamArray& VertexStreams
    ) const;
};
​
class FACustomVertexFactoryPixelShaderParameters : public FVertexFactoryShaderParameters
{
    DECLARE_TYPE_LAYOUT(FACustomVertexFactoryPixelShaderParameters, NonVirtual);
public: 
    void GetElementShaderBindings(
        const class FSceneInterface* Scene,
        const FSceneView* InView,
        const class FMeshMaterialShader* Shader,
        const EVertexInputStreamType InputStreamType,
        ERHIFeatureLevel::Type FeatureLevel,
        const FVertexFactory* VertexFactory,
        const FMeshBatchElement& BatchElement,
        class FMeshDrawSingleShaderBindings& ShaderBindings,
        FVertexInputStreamArray& VertexStreams
    ) const;
};

配合IMPLEMENT_宏：

// .cpp
IMPLEMENT_TYPE_LAYOUT(FACustomVertexFactoryVertexShaderParameters);
IMPLEMENT_TYPE_LAYOUT(FACustomVertexFactoryPixelShaderParameters);
IMPLEMENT_VERTEX_FACTORY_PARAMETER_TYPE(FACustomVertexFactory, SF_Vertex, FACustomVertexFactoryVertexShaderParameters);
IMPLEMENT_VERTEX_FACTORY_PARAMETER_TYPE(FACustomVertexFactory, SF_Pixel, FACustomVertexFactoryPixelShaderParameters);

如果需要支持光追的话，还要加上SF_Compute和SF_RayHitGroup的。

配置顶点流到这里就完事了，但是UE搞的神奇机制是什么呢？

奇妙の自定义Shader方式

UE为了方便各种引擎渲染Pass去复用相同的顶点着色器，固定了部分顶点着色器流程。但是为了保留可编程性，通过类似渲染管线中留出的各个Shader阶段的方式，预设了一些例程函数，由与FVertexFactory绑定的.ush文件实现。

在用于静态注册的类型FVertexFactoryType中，我们可以找到这么一个函数：

// VertexFactory.h
class FVertexFactoryType
{
    /**
    * Calls the function ptr for the shader type on the given environment
    * @param Environment - shader compile environment to modify
    */
    void ModifyCompilationEnvironment(const FVertexFactoryShaderPermutationParameters& Parameters, FShaderCompilerEnvironment& OutEnvironment) const
    {
        // Set up the mapping from VertexFactory.usf to the vertex factory type's source code.
        FString VertexFactoryIncludeString = FString::Printf( TEXT("#include \"%s\""), GetShaderFilename() );
        OutEnvironment.IncludeVirtualPathToContentsMap.Add(TEXT("/Engine/Generated/VertexFactory.ush"), VertexFactoryIncludeString);
​
        OutEnvironment.SetDefine(TEXT("HAS_PRIMITIVE_UNIFORM_BUFFER"), 1);
​
        (*ModifyCompilationEnvironmentRef)(Parameters, OutEnvironment);
    }
}

这里把/Engine/Generated/VertexFactory.ush指向了，我们在IMPLEMENT_VERTEX_FACTORY_TYPE中指定的Shader路径（其实就是用来构造这个类了）。全文搜索一下/Engine/Generated/VertexFactory.ush这个字符串，可以发现很多Pass的Shader都include了。当然最终的替换是在ShaderPreprocessor中做的，有兴趣的可以去看看，同样搜索这个路径就能找到了。

了解了这个机制，最后就是我们可以自己实现什么函数给那些Pass用呢？

实现顶点着色器

先把我们的ACustomVertexFactory.ush文件留空，去骗，去偷袭一波。原(U)神(E)启动！这时会开始编Shader，问题不大，包出错的。等它出错我们看看报错，这里去掉重复的了：

BasePassPixelShader.usf:470:2: error: unknown type name 'FVertexFactoryInterpolantsVSToPS'
ShadowDepthVertexShader.usf:176:2: error: unknown type name 'FVertexFactoryInput'
ShadowDepthVertexShader.usf:193:2: error: unknown type name 'FVertexFactoryIntermediates'

骗到了，搜下FVertexFactoryInput先。这样就可以知道FVertexFactoryInput对应的是我们上面声明的顶点属性配置。像这样：

struct FVertexFactoryInput
{
    float3 Position : ATTRIBUTE0;
    uint Normal  : ATTRIBUTE1;
};

我这里的Normal是打包后的数据，所以只是个uint。用同样的方法，可以知道

  • FVertexFactoryInterpolantsVSToPS：对应需要从顶点着色器插值到片段着色器的数据。
  • FVertexFactoryIntermediates：用于缓存一些可能会被多次用到的数据。
  • FVertexFactoryInput：流入的顶点属性声明。

其中FVertexFactoryIntermediates的概念现在可能比较模糊，接下来会讲明白。

先随便从一个Pass入手，BasePass一看就很老实，让我们去欺负它吧。

打开BasePassVertexShader.usf，其中#include "/Engine/Generated/VertexFactory.ush"放在了BasePassVertexCommon.ush中，稍微有一点点绕。

可以发现，Main函数开头有一行：

FVertexFactoryIntermediates VFIntermediates = GetVertexFactoryIntermediates(Input);

通过GetVertexFactoryIntermediates函数，计算了一些中间数据，用于下面的步骤：

float4 WorldPositionExcludingWPO = VertexFactoryGetWorldPosition(Input, VFIntermediates);
float3x3 TangentToLocal = VertexFactoryGetTangentToLocal(Input, VFIntermediates);   
FMaterialVertexParameters VertexParameters = GetMaterialVertexParameters(Input, VFIntermediates, WorldPosition.xyz, TangentToLocal);
float4 RasterizedWorldPosition = VertexFactoryGetRasterizedWorldPosition(Input, VFIntermediates, WorldPosition);
Output.FactoryInterpolants = VertexFactoryGetInterpolants(Input, VFIntermediates, VertexParameters);

可以发现，需要由VertexFactory实现的函数，也都是用VertexFactory作为前缀命名的，实现这些步骤的函数就好了。要抄的话，可以参考LocalVertexFactory.ush和LandscapeVertexFactory.ush。

这些步骤的接口都可以在我们的ACustomVertexFactory.ush中实现。具体要怎么实现就看自己的需求了，反正实现就好了。