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UE(2)：材质着色器

Peter Lu

发布于 2022-12-22 06:57:00

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有点Blue --- 《沙滩》

上一篇UE(1)：材质系统整体介绍了材质的三要素UMaterial，FMaterial，FMaterialRenderProxy以及相互之间的逻辑关系，未涉及实现细节，比如材质和Shader之间的关联，以及其在渲染管线中的使用方式。在上篇基础上，深入了解Material和Shader之间编译（Complication）相关的内容，形成了这篇学习总结。

Shader Object

Shader三要素

UE的着色器主要有三个类：

FShader
- 编译后的着色器对象
FShaderParameter
- 着色器中需要绑定的参数
FShaderType
- 用于序列化，编译以及缓存一个着色器对象

FShader

UE编译HLSL后会创建一个FShader对象，FShader是一个基类，主要的两个子类是：

FGlobalShader
- 全局着色器，共享一个实例，用于渲染固定的几何对象和不需要材质的内容，比如后处理
FMaterialShader
- 该着色器绑定了一个材质，如果该着色器也绑定了FVertexFactory（几何内容，UE的网格类型），则对应FMeshMaterialShader，继承自FMaterialShader

FShaderParameter

FShaderParameter是着色器对象中对应的参数，主要有：

FShaderParameter:基本的uniform变量，比如float1~4
FShaderResourceParameter：Shader资源，比如纹理，采样
FRWShaderParameter：UAV或SRV资源，具体不懂
FShaderUniformBufferParameter：UniformBuffer变量

FShaderParameter中的成员变量有BufferIndex,BaseIndex,NumBytes,标识了该资源在GPU中的入口（索引）和字节数，等同于OpenGL中的glGetUniformLocation或DX11中的GetResourceBindingDesc。

FShaderType

FShader+ FShaderParameter建立了GPU中的着色器资源以及相关参数的索引；而一个FShader对应一个FShaderType，比如，外部通过FShaderType管理对应的FShader对象，比如FShaderType的方法ConstructCompiledType实现创建一个FShader对象。

材质中引用的着色器对象是FMeshMaterialShader,FShaderUniformBufferParameter和 FMeshMaterialShaderType，下面我们重点介绍这三个类的相关作用。

注：在FShader类中，变量使用了LAYOUT_FIELD宏封装，属于C++反射系统范畴。

Shader Permutation

UE中通过预处理的方式来创建着色器代码的特化，HLSL代码中会采用C风格的宏，比如#if,#define 不同的宏定义会形成不同的逻辑分支，UE会排列组合各种不同的逻辑情况(比如开启环境光或关闭，开启Fog或关闭，这样会有四种逻辑组合)，每种分支对应生成一个shader变体。UE把这个过程描述为Shader Permutation。

// MaterialShaderType.h
#define IMPLEMENT_MATERIAL_SHADER_TYPE(TemplatePrefix,ShaderClass,SourceFilename,FunctionName,Frequency)

上面的宏IMPLEMENT_MATERIAL_SHADER_TYPE将一个C++类ShaderClass绑定一个HLSL文件SourceFilename，函数的入口是FunctionName,而Frequency标识着色器的类型，比如顶点SF_Vertex,片元SF_Pixel等，着色器类型对应EShaderFrequency枚举。

// BasePassRendering.cpp
#define IMPLEMENT_BASEPASS_VERTEXSHADER_TYPE(LightMapPolicyType,LightMapPolicyName) \
typedef ... ; \
IMPLEMENT_MATERIAL_SHADER_TYPE() ;

接着，对于一个给定的LightMapPolicyType和LightMapPolicyName，IMPLEMENT_BASEPASS_VERTEXSHADER_TYPE则将不同的顶点类（Class）vertex,hull和domain绑定不同的HLSL代码。

// BasePassRendering.cpp
#define IMPLEMENT_BASEPASS_PIXELSHADER_TYPE

采用同样的思路，将片元类绑定对应的HLSL代码

// BasePassRendering.cpp
#define IMPLEMENT_BASEPASS_LIGHTMAPPED_SHADER_TYPE \
IMPLEMENT_BASEPASS_VERTEXSHADER_TYPE \
IMPLEMENT_BASEPASS_PIXELSHADER_TYPE

最后，针对不同的LightMap Policy，IMPLEMENT_BASEPASS_LIGHTMAPPED_SHADER_TYPE宏创建了三种不同的顶点类和一种片元类可能的组合对应的Pass。

Shader Permutation

上图是整体的逻辑关系，IMPLEMENT_BASEPASS_LIGHTMAPPED_SHADER_TYPE的价值就是针对不同的LightMap，不同的顶点和片元组合，创建不同的BasePass对象，每个对象通过类方法ModifyCompilationEnvironment确定该组合下，HLSL中各种环境变量值。该实现方式基于C++ Template的能力，因此做到了在材质编辑阶段执行，并缓存到Shader Map。好处是该阶段属于GPU code的编译期，host code(C++)的运行时，保证了性能；缺点是可怕的脚本编译时间，一个材质资产需要考虑各种组合的逻辑分支，增加的编译的计算量。

注：Base Pass是UE中渲染管线的概念，对应延迟渲染中的第一个Pass。编译期是将HLSL编译成bytecode，DXC（DX11）格式

这种设计的另一个缺点是C++和GPU code分离，同一个参数需要针对C++和GPU分别提供两个变量，增加了代码的复杂度，用过CUDA的人应该能够理解unified shader[1]的设计思想，如何保证host和GPU代码混写，这也是一种解决方案。

UniformBuffer

Shader中除了不同逻辑下对应的函数，另一个主角就是Uniform参数，该参数需要实现：

Create - 创建该UniformBuffer资源（编译中）
Binding - 将该资源和着色器中的参数索引绑定（编译后）
Update - 更新该资源（渲染阶段）

一个UniformBuffer对应一个C++的结构体：

#ifndef __UniformBuffer_Material_Definition__
#define __UniformBuffer_Material_Definition__
cbuffer Material
{
    half4 Material_VectorExpressions[2];
    half4 Material_ScalarExpressions[1];
} Material = {Material_VectorExpressions,Material_ScalarExpressions,};
#endif

UniformBuffer Struct

如上图，分别对应三步：

在CreateBufferStruct中创建UniformBuffer结构体
根据这个结构体，在ModifyCompilationEnvironment中将结构体对应的字符串插入到HLSL代码片段中
最终完整的HLSL代码iniclude所有的UniformBuffer文件（ush），进入编译阶段

HLSL代码的编译是通过CompileShader方法（ShaderFormatD3D.cpp），里面主要有两个函数：

D3DCompileFunc：编译HLSL代码
D3DReflectFunc：获取着色器中Uniform变量对应的索引

上篇介绍了编译HLSL的流程，编译成功后，会执行ExtractParameterMapFromD3DShader方法，该方法会调用D3DReflectFunc，将返回的结果（索引值）保存到FShaderCompilerOutput:FShaderParameterMap结构体中，而编译后的返回值是一个FShaderCompilerOutput对象。

编译结束后，会触发FMaterialShaderMap::ProcessCompilationResultsForSingleJob，这里，会根据FShaderCompilerOutput内容创建对应的FMeshMaterialShader对象，而对象中UniformBufer的索引值BaseIndex对应该变量在着色器中的位置。

我们在编译阶段完成了Create和Binding，在渲染线程中则需要对该变量的更新，这分为两步，先在CPU内存中更新内存块，然后将内存上传到GPU对应的Uniform Buffer（DX11中的ConstantBuffer）。上篇中我们提到，在FMaterialRenderProxy::EvaluateUniformExpressions中实现了Update：

FUniformExpressionSet::FillUniformBuffer：将材质中的Uniform值写入到TempBuffer指针对应的CPU内存；
如果GPU中还没有创建该变量，则调用RHICreateUniformBuffer,创建对应的GPU资源；
然后调用RHIUpdateUniformBuffer将CPU内存拷贝到GPU上。

这样，FMaterialShaderMap::Compile编译阶段创建了UniformBuffer对应的HLSL代码片段，FMaterialShaderMap::ProcessCompilationResultsForSingleJob编译完成后创建了UniformBuffer的GPU资源，以及和着色器中的索引映射，FMaterialRenderProxy::EvaluateUniformExpressions渲染阶段则会判断该变量在host端是否变化，如果变化，则更新到GPU端。