UE4 RHI與Render模塊簡解

　　UE4中的RHI指的是Render hardware interface,做用像Ogre裏的RenderSystem,針對Dx11,Dx12,Opengl等等平臺抽象出相同的接口,咱們能方便能使用相同接口對應不一樣渲染平臺.

　　和之前同樣,先簡單介紹一些類與文件的做用,咱們有個抽象的瞭解.

　　RHI.h :主要定義一些硬件平臺的公共變量.

　　一是 硬件支持項,如是否支持PF_FloatRGBA格式渲染目標,手機平臺是否支持FrameBuffer拾取,支持體紋理,支持硬件合併渲染等等.

　　二是 硬件變量,如最大Cube紋理數,陰影貼圖長寬最大值等等.

　　三是 常見渲染定義,如FSamplerStateInitializerRHI紋理採樣,FRasterizerStateInitializerRHI柵欄化(填充格式,正方向定義,MSAA),FDepthStencilStateInitializerRHI逐片段處理中的模板與深度,FBlendStateInitializerRHI逐片段處理中的混合.FRHIDrawIndirectParameters/FRHIDrawIndexedIndirectParameters DrawCall中相關參數.

　　DynamicRHI.h :包含FDynamicRHI接口定義，渲染所需求全部接口，建立buffer，建立紋理,設置着色器參數，UAV等，簡單來講，對應opengl，dx提供的渲染API,其DynamicRHI.cpp文件會根據平臺(Windows,apple,android等等)來選擇加載合適的渲染平臺(如Opengl,Dx,Vulkan等),在RHI模塊的private文件夾下,可能看到各個系統會如何選擇相應的渲染平臺.　　

　　FRenderResource:定義接口如InitDynamicRHI /ReleaseDynamicRHI /InitRHI /ReleaseRHI /InitResource /ReleaseResource /UpdateRHI等渲染資源選擇實現函數.

　　RHICommandList相關文件是咱們講RHI主要須要講的,在這咱們先來分析出現的各個類.

　　FRHICommandBase: 主要定義一個函數指針，一個執行方法調用函數指針指向的函數。

　　函數指針：二個參數(FRHICommandListBase,FRHICommandBase)CallExecuteAndDestruct:傳入本身FRHICommandBase到時函數指針指向的方向.

　　FRHICommand: FRHICommandBase的一個模板子類,模板須要定義Execute方法,其方法只須要FRHICommandListBase,其會退化上面CallExecuteAndDestruct的FRHICommandBase參數,默認爲本身.

　　FRHICommand的模板具體化,對應SetRasterizerState/SetDepthStencilState/SetShaderParameter等等,幾乎全部渲染API都有對應的FRHICommand的模板具體化實現.

　　FRHICommandListBase: 相應FRHICommandBase的鏈表實現,以及定義一些上下文如IRHICommandContext ,IRHIComputeContext ,而且有相關和RHI線程交互的API,RHI自己相應的FRHICommandBase與List都是存放在渲染線程中,RHI線程能夠用於在渲染線程中同步執行異步的複雜操做,如壓入不少FRHICommandBase到渲染線程中執行,有些操做能夠放入RHI線程中與渲染線程一塊兒執行,在某段FRHICommandBase前,調用WaitForTasks等同步渲染線程與RHI線程,你們能夠這麼理解,RHI線程對於渲染線程就至關於渲染線程與遊戲線程的關係,你們能夠看我上篇UE4裏的 渲染線程 ,看到如何在渲染線程裏壓入RHI線程,如何用WaitForTasks與渲染線程同步等.

　　FRHICommandList: 簡單來講,全部用於渲染API幾乎都有二種方法,一種是插入FRHICommandListBase鏈表,一種是直接調用相應渲染平臺對應FDynamicRHI的實現,在這說下,我看了下OpenGLDrv相應的FDynamicRHI實現,相應API如SetShaderParameter, SetDepthStencilState等等,並無直接調用相應的OpenGL的API,而是把相關改動放入一個FOpenGLRHIState的結構中保存起來,等到DrawCall(如RHIDrawPrimitiveIndirect等)相關命令調用後,才把各個改動對應opengl的API調用起來,如上的glProgramUniform等.

　　FRHIAsyncComputeCommandList: 多GPU的FRHICommandList實現。

　　FRHICommandListImmediate: 直接調用相應渲染平臺對應FDynamicRHI的實現,對比FRHICommandList，主要是建立資源這一塊的FDynamicRHI封裝，能夠看到它的一些函數都是以Create開頭的。

　　FRHICommandListExecutor: 簡單來講，管理FRHICommandListBase的幾個子類單例實現，方便查找到如上的FRHICommandListImmediate 與FRHIAsyncComputeCommandListImmediate 單例實現，通常咱們看到渲染代碼裏常見的如FRHICommandList/RHICmdList就是指的是FRHICommandListExecutor::GetImmediateCommandList().

　　在這，關於RHI的就先簡單瞭解下，RHI主要調用都在渲染線程中，不過也可使用FRHICommandListBase鏈表與RHI線程來實現一些同步異步操做。其中渲染模塊中FRHICommandList/RHICmdList通常是FRHICommandListExecutor::GetImmediateCommandList()，這個是直接調用相關FDynamicRHI實現，通常並不與RHI線程交互。

　　介紹RHI模塊後，咱們來看下渲染模塊的相關實現，在說下渲染模塊的實現前，簡單說下，UE4中大量用到C++ 的模版，除開自動生成各個分支代碼，還有二點，一是代替部分接口類，減小如虛函數表的性能，二是減小一些分支判斷，仍是提升性能。可是會形成閱讀代碼比C#等語言驗證，主要在於有些模板你都不知道是那些類能夠用等，還好，UE4裏通常這種模板使用類都有相同的前綴或是後綴，咱們能夠記一些相同的前綴或後綴轉化成本身認爲的接口實現。

　　咱們先看一段代碼，是OpenGLDrv實現的FDynamicRHI子類FOpenGLDynamicRHI的RHIDrawPrimitiveIndirect，簡接繪製多組圖元集。 

void FOpenGLDynamicRHI::RHIDrawPrimitiveIndirect(uint32 PrimitiveType,FVertexBufferRHIParamRef ArgumentBufferRHI,uint32 ArgumentOffset)
{
    if (FOpenGL::SupportsDrawIndirect())
    {
        VERIFY_GL_SCOPE();

        check(ArgumentBufferRHI);
    GPUProfilingData.RegisterGPUWork(0);

        FOpenGLContextState& ContextState = GetContextStateForCurrentContext();
        BindPendingFramebuffer(ContextState);
        SetPendingBlendStateForActiveRenderTargets(ContextState);
        UpdateViewportInOpenGLContext(ContextState);
        UpdateScissorRectInOpenGLContext(ContextState);
        UpdateRasterizerStateInOpenGLContext(ContextState);
        UpdateDepthStencilStateInOpenGLContext(ContextState);
        BindPendingShaderState(ContextState);
        SetupTexturesForDraw(ContextState);
        CommitNonComputeShaderConstants();
        CachedBindElementArrayBuffer(ContextState,0);

        // Zero-stride buffer emulation won't work here, need to use VAB with proper zero strides
        SetupVertexArrays(ContextState, 0, PendingState.Streams, NUM_OPENGL_VERTEX_STREAMS, 1);

        GLenum DrawMode = GL_TRIANGLES;
        GLsizei NumElements = 0;
        GLint PatchSize = 0;
        FindPrimitiveType(PrimitiveType, ContextState.bUsingTessellation, 0, DrawMode, NumElements, PatchSize);

        if (FOpenGL::SupportsTessellation() && DrawMode == GL_PATCHES )
        {
            FOpenGL::PatchParameteri(GL_PATCH_VERTICES, PatchSize);
        } 

        FOpenGLVertexBuffer* ArgumentBuffer = ResourceCast(ArgumentBufferRHI);


        glBindBuffer( GL_DRAW_INDIRECT_BUFFER, ArgumentBuffer->Resource);
        {
            CONDITIONAL_SCOPE_CYCLE_COUNTER(STAT_OpenGLShaderFirstDrawTime, PendingState.BoundShaderState->RequiresDriverInstantiation());
            FOpenGL::DrawArraysIndirect( DrawMode, INDEX_TO_VOID(ArgumentOffset));
        }
        glBindBuffer( GL_DRAW_INDIRECT_BUFFER, 0);
        
        FShaderCache::LogDraw(0);
    }
    else
    {
        UE_LOG(LogRHI, Fatal,TEXT("OpenGL RHI does not yet support indirect draw calls."));
    }

}

FOpenGLDynamicRHI::RHIDrawPrimitiveIndirect

　　前面說過，FOpenGLDynamicRHI是在DrawCall時，才把各個改動對應opengl的API調用起來，因此在這，咱們能夠看到一個渲染的完整過程，固然你們使用過Opengl或是DX直接寫過程序也是同樣，首先設定渲染目標，混合，設定viewport,設定柵欄化，設定逐片段處理(深度，模板),綁定Shader程序，設定shader紋理，設置shader參數，綁定VAO，設定VAO,DrawCall,嗯，就是這麼個過程，不管UE4如何包裝，每次DrawCall就是如上順序處理。

　　先說一下在渲染模塊裏比較常見的類：

　　後綴Parameters: 二個主要方法，一是Bind,簡單來講，對應一個或多個參數Parameter與Shader代碼裏參數綁定,對應opengl裏的API就是如glGetUniformLocation。二是Set,簡單來講，上面綁定後，咱們就能夠傳入參數的值到GPU裏，對應opengl裏的API就是如glUniform等等。

　　模板類裏的模板若是是後綴ParametersType,通常主要是指各個後綴爲Parameters的類。

　　以下一些類寫了些本身瞭解，後查找資料時發現UE4官方文檔裏 着色器開發 有說，比我說的清楚。

　　FVertexFactory: 用來表示頂點數據格式，頂點分佈結構，頂點元素Buffer，DeclarationElementList數組，相關opengl的API如glVertexAttribPointer.從opengl3+來講，通常雖然可能有多個buffer,可是應該是在一個glgenbuffer中對應不一樣的區段而已。

　　方法Set: 只是告訴對應opengl裏各個buffer的起點與終點，相應的如OffsetInstanceStreams/SetPositionStream都是相似。

　　FVertexFactoryType:表示網格類型，如 Local/Particle(三種sprite/beamtrail,mesh)/Landscape/GPUSkin等，

　　FMeshBatch: 通常來講，是一組相同頂點格式，相同材質的模型，通常可使用GPU的實例渲染，減小DrawCall.

　　FShaderType: Global/Material/MeshMaterial (vertex/hull/demain/geomerty/pixel 一種)

　　FGlobalShader: 全局shader,簡單來講,不和mesh與Material關聯，通常用於後處理,固定畫個方塊啥的，如處理特效這種。

　　方法SetParameters: 設定Shader裏的FViewUniformShaderParameters /FFrameUniformShaderParameters /FBuiltinSamplersParameters 參數。

　　FMaterialShader: 特定於過程的着色器，它們須要訪問材質的某些屬性，所以必須針對每一個材質進行編譯，但不須要訪問任何網格屬性。如FLightFunctionVS，FLightFunctionPS等。　　

　　對比FGlobalShader，增長一個重載的SetParameters，包含材質對Shader的設置。

　　FMeshMaterialShader: 着色器是特定於過程的着色器，它們依賴於材質的屬性和網格類型，所以必須針對每一個材質/FVertexFactory組合進行編譯。例如，TBasePassVS / TBasePassPS 須要對前向渲染過程當中的全部材質輸入進行評估。

　　對比FMaterialShader，增長一個方法SetMesh,添加FMeshBatchElement,FVertexFactory對shader的設置，對應VertexFactory的Parameters針對Mesh填充不一樣的頂點信息。 如GPUSkin,填充骨骼信息到相應的shader參數中， 如MeshParticle，填充動畫加速度 ，時間等。以及填充模型自己的FPrimitiveUniformShaderParameters等共有信息，如FPrimitiveUniformShaderParameters:localToworld ,worldTolocal ,objectBounds, LOD，FadeTimeScaleBias等。

　　以下這些類表示渲染主要思路，預先一些相同的渲染方式，能夠先緩存起來。

　　FMeshDrawingPolicy: 整合渲染模型過程，從綁定Shader到調用DrawCall,各個子類對應不一樣的獨立着色器程序。

　　1 初始化，根據須要生成或綁定各個對應的Shader.

　　2 SetSharedState,設定和Mesh無關的Shader變量。

　　3 SetMeshRenderState,設定和Mesh相關的Shader變量。

　　4 DrawMesh 調用DrawCall.

　　模板類裏的模板若是是DrawingPolicyType,通常主要是指FMeshDrawingPolicy的各個子類。

　　FUniformLightMapPolicy: 封裝和光照有關渲染的Shader參數設置。　　

　　方法SetMesh:綁定相應光照計算上Shader的參數，如使用GI預計算產生的間接光照圖信息，直接光照圖信息，天空圖AO等。

　　TUniformLightMapPolicy: FUniformLightMapPolicy的模版子類，模版爲ELightMapPolicyType，表示各類和光照有關，模版預生成多份代碼對應不一樣光照計算表示是否緩存，Shader預編譯指令。

enum ELightMapPolicyType
{
    LMP_NO_LIGHTMAP,
    LMP_CACHED_VOLUME_INDIRECT_LIGHTING,
    LMP_CACHED_POINT_INDIRECT_LIGHTING,
    LMP_SIMPLE_DYNAMIC_LIGHTING,
    LMP_LQ_LIGHTMAP,
    LMP_HQ_LIGHTMAP,
    LMP_DISTANCE_FIELD_SHADOWS_AND_HQ_LIGHTMAP,
    // Forward shading specific
    LMP_DISTANCE_FIELD_SHADOWS_AND_LQ_LIGHTMAP,
    LMP_SIMPLE_DIRECTIONAL_LIGHT_AND_SH_INDIRECT,
    LMP_SIMPLE_DIRECTIONAL_LIGHT_AND_SH_DIRECTIONAL_INDIRECT,
    LMP_SIMPLE_DIRECTIONAL_LIGHT_AND_SH_DIRECTIONAL_CSM_INDIRECT,
    LMP_MOVABLE_DIRECTIONAL_LIGHT,
    LMP_MOVABLE_DIRECTIONAL_LIGHT_CSM,
    LMP_MOVABLE_DIRECTIONAL_LIGHT_WITH_LIGHTMAP,
    LMP_MOVABLE_DIRECTIONAL_LIGHT_CSM_WITH_LIGHTMAP,
    // LightMapDensity
    LMP_DUMMY
};

ELightMapPolicyType

　　TLightMapPolicy: Shader對應預編譯指令，是否緩存，模板爲ELightmapQuality，有二個值，分別是LQ_LIGHTMAP，HQ_LIGHTMAP。

　　模板類裏的模板若是是LightMapPolicyType，通常主要是指TUniformLightMapPolicy/TLightMapPolicy的各個子類。

　　如上一些基本比較重要的類就到此，在這咱們重點說下FMeshDrawingPolicy這個類，從上面各個類的說明來看，能夠看到把全部渲染基本類組合在一塊兒，他的子類簡單說幾個，BasePassRendering ,CapsuleShadowing ,DepthRendering ,ForwardBasePassRendering ,VelocityRendering等等，還有別的帶Rendering的渲染，如DistortionRendering ,DeferredShading ,DecalRendering，ShadowRendering等等雖然和FMeshDrawingPolicy不一樣，可是過程其實真差不了多少。　在每一個Rendering中，都有對應的VS，PS，HS等，這些根據須要分別從上面所說的FGlobalShader /FMaterialShader /FMeshMaterialShader繼承，簡單來講，後處理特效針對渲染目標的通常從FGlobalShader繼承，只針對Material不和具體Mesh有關的用FMaterialShader，最後針對模型渲染的從FMeshMaterialShader繼承。

　　按BasePassRendering說下，只簡單渲染emissive color與light map，對應的FMeshDrawingPolicy子類爲TBasePassDrawingPolicy ，如上所說，針對Mesh產生的都繼承與FMeshMaterialShader生成的VS，PS等，由於光照有影響，咱們看到相應的Shader都對應模版LightMapPolicyType，用於生成正確的Shader對應預編譯指令，若有無光照，光照質量，靜態或動態，陰影類型等。下面還定義一些與BasePassRendering相關的parameters,如天空盒相關參數，如上TBasePassDrawingPolicy在構造函數中獲得或是生成上面的VS,PS，而後在SetSharedState時針對VS,PS設定參數，而後調用SetMeshRenderState針對每一個FMeshBatch設定和Mesh有關的參數，而後提交DrawCall.

　　每一個DrawingPolicy中，對應VS，PS等對應文件能夠經過宏IMPLEMENT_SHADER_TYPE查看。

　　本文原本還準備更詳細講述一個基本的Rendering的過程，可是新項目時間緊，只是暫停查看，後面會仔細介紹一個完整流程，從陰影渲染，前向或是後向渲染選擇一部分來詳細介紹，包含大部分參數的含義與做用，不過你們熟悉如上的渲染線程再加個RHI與渲染模塊如上這些基本類，應該就能把UE4的源碼都聯繫起來了。