UE4中的距离场技术详解

距离上一篇博客已经有一段时间了，这段时间非常忙碌，突然意识到已经很久没有更新了。这次决定写一篇与工作无关的技术文章，希望能对大家有所帮助。 ### UE4 距离场技术概述 距离场（Distance Field）是一种存储几何形状信息的方法，它将每个点到最近的表面的距离存储在一个纹理中。在 UE4 中，距离场主要用于改进光照和阴影效果，特别是在处理复杂的几何形状时。然而，关于 UE4 距离场的具体实现资料相对较少，本文将详细探讨这一技术。 ### 距离场的基本原理 在 UE4 中，距离场的核心思想是将场景中的所有不透明模型信息存储到 GPU 中的一个 3D 纹理中。这个 3D 纹理可以想象成一个“房子”，房子里填充了许多小的长方体，每个长方体对应一个模型的距离场数据。模型内部的距离值为负数，外部为正数，表面附近的值接近零。这种存储方式使得距离场信息非常集中，但同时也占用了大量的显存。例如，在 UE4 4.14 版本中，默认的 3D 纹理分辨率为 512x512x1024，占用约 512MB 显存。 ### 距离场与深度图的对比 与深度图相比，距离场提供了更多的信息。深度图通常只包含从特定视角到最近不透明像素的距离，适用于阴影映射等简单场景。然而，对于需要从任意角度获取模型与场景信息的情况，如环境光遮蔽（AO），深度图无法满足需求，而距离场则能很好地解决这些问题。 ### Compute Shader 的作用 在 UE4 中，距离场的构建和使用主要依赖于 Compute Shader。Compute Shader 是一种特殊的着色器，不属于传统的渲染管线，而是用于执行 GPU 上的通用计算任务。它需要调度线程组和线程，常见的参数包括 `SV_GroupID`、`SV_GroupThreadID` 和 `SV_DispatchThreadID`。理解这些概念对于掌握距离场的实现至关重要。 ### 全局距离场 除了模型距离场，UE4 还引入了全局距离场（Global Distance Field）。全局距离场可以看作是模型距离场的一种优化形式，通过对模型距离场进行进一步处理，生成低分辨率的全局距离场。全局距离场主要用于加速某些渲染操作，如环境光遮蔽。 ### 模型距离场的构建与渲染 #### 创建距离场 1. **加载模型**：当 `UStaticMesh` 加载时，自动被 `GDistanceFieldVolumeTextureAtlas` 收录。 2. **生成距离场数据**：调用 `MeshUtilities->GenerateSignedDistanceFieldVolumeData` 生成对应模型的距离场数据。 3. **计算网格大小**：计算模型的 `DistanceFieldVolumeBounds`，并生成 3D 纹理的各维大小。 4. **生成射线**：根据模型的三角形生成射线，计算距离场数据。 #### 渲染过程 1. **更新数据**：在 `FDeferredShadingSceneRenderer::Render` 中，调用 `GDistanceFieldVolumeTextureAtlas->UpdateAllocations()` 将所有 `UStaticMesh` 的距离场数据提交到 GPU 的 3D 纹理中。 2. **生成全局距离场**：调用 `FDeferredShadingSceneRenderer::UpdateGlobalDistanceFieldObjectBuffers` 更新全局距离场的数据。 3. **渲染模型距离场**：在 `RenderMeshDistanceFieldVisualization` 函数中，使用 `CullObjectsToView` 进行摄像机剔除，然后通过 `TVisualizeMeshDistanceFieldCS` 计算并渲染模型距离场。 ### 代码示例 以下是 `CullObjectsToView` 函数的部分代码，展示了如何使用 Compute Shader 进行摄像机剔除： ```cpp [numthreads(UPDATEOBJECTS_THREADGROUP_SIZE, 1, 1)] void CullObjectsForViewCS( uint3 GroupId : SV_GroupID, uint3 DispatchThreadId : SV_DispatchThreadID, uint3 GroupThreadId : SV_GroupThreadID) { uint ObjectIndex = DispatchThreadId.x; if (ObjectIndex