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（虚幻4Shader篇）开始编写最简单的Shader

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发表于 2020-12-21 09:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
前言及学习建议

本人最近在学习UnrealEngine的GlobalShader，在这个过程中阅读了 @YivanLee 的Shader系列文章，大大提高了学习速度。但这些代码大多基于4.19，其中部分代码将会被废弃，所以我撰写这篇在此分享4.22版本的GlobalShader相关经验。
本文意在理顺思路，教会读者如何搭建基础的Shader测试环境，顺便总结学习心得，所以本文不会将所有代码贴出，详细代码请参考github。
大部分内容解释还请参看了 @YivanLee 的文章
我认为重复造轮子没有意义。具体代码可以参考我的github，读者可以按照commit一步一步学习代码:

初始化

插件项目与模块设置

*.uplugin文件中把LoadingPhase改成：
  1. "Modules": [
  2.         {
  3.             "Name": "Foo",
  4.             "Type": "Developer",
  5.             "LoadingPhase": "PostConfigInit"
  6.         }
  7.     ]
复制代码
修改插件的模块文件*.Build.cs，在PublicDependencyModuleNames.AddRange中添加RHI、Engine、RenderCore、CoreUObject。在PrivateDependencyModuleNames.AddRange中删除Slate、SlateCore、Engine、CoreUObject，添加"Projects"。
添加h与cpp文件

在插件目录中新建以下目录结构（部分文件在插件创建时就已创建）：
  1. Source
  2.     |——与插件名相同的文件夹
  3.         |——Classes
  4.             |——SimplePixelShader.h（该文件用于声明结构体与测试Shader的蓝图库）
  5.         |——Private
  6.             |——与插件名相同的模块cpp文件
  7.             |——SimplePixelShader.cpp（用于实现GlobalShader、蓝图库代码）
  8.         |——Public
  9.             |——与插件名相同的模块h文件
复制代码
这里我创建了SimplePixelShader.cpp与SimplePixelShader.h文件用于之后的GlobalShader实现。在之后的内容中我也将通过这两个文件名进行说明。但读者在实践中可以使用不一样的文件名。
创建usf文件

在插件目录中新建以下目录结构：Shaders-Private。之后可以开始编写usf。
重新生成解决方案

在Unreal项目文件上右键点击“Generate Visual Studio File”,生成新的解决方案，并且编译项目。（刷新解决方案）
代码编写

设置虚拟路径

在插件的模块cpp文件（与插件同名的cpp文件）的StartupModule()中，添加虚拟路径：
  1. FString PluginShaderDir = FPaths::Combine(IPluginManager::Get().FindPlugin(TEXT("BRPlugins"))->GetBaseDir(), TEXT("Shaders"));
  2. AddShaderSourceDirectoryMapping(TEXT("/Plugin/BRPlugins"), PluginShaderDir);
复制代码
这里的BRPlugins是我所写的插件名。所写的代码需要与usf所在路径及Shader实现宏中的虚拟路径对应。PluginShaderDir变量为真实路径，AddShaderSourceDirectoryMapping如字面意思，设定一个虚拟路径代表真实路径。
最后在Shader实现宏中使用：
  1. IMPLEMENT_SHADER_TYPE(, FSimplePixelShaderPS, TEXT("/Plugin/BRPlugins/Private/SimplePixelShader.usf"), TEXT("MainPS"), SF_Pixel)
复制代码
声明并且向Ue4注册GlobalShader

继承FGlobalShader，实现所需函数：
  1. class FSimplePixelShader : public FGlobalShader
  2. {
  3. public:
  4.     //确定Shader功能支持情况
  5.     static bool ShouldCompilePermutation(const FGlobalShaderPermutationParameters& Parameters)
  6.     {
  7.         return IsFeatureLevelSupported(Parameters.Platform, ERHIFeatureLevel::SM);
  8.     }
  10.     //添加Usf中的宏
  11.     static void ModifyCompilationEnvironment(const FGlobalShaderPermutationParameters& Parameters, FShaderCompilerEnvironment& OutEnvironment)
  12.     {
  13.         FGlobalShader::ModifyCompilationEnvironment(Parameters, OutEnvironment);
  14.         OutEnvironment.SetDefine(TEXT("TEST_MICRO"), 1);  
  15.     }
  16.     FSimplePixelShader(){}
  18.     //构造函数，用于绑定Shader中的变量
  19.     FSimplePixelShader(const ShaderMetaType::CompiledShaderInitializerType& Initializer)
  20.         : FGlobalShader(Initializer)
  21.     {
  22.          SimpleColorVal.Bind(Initializer.ParameterMap, TEXT("SimpleColor"));
  23.          TextureVal.Bind(Initializer.ParameterMap, TEXT("TextureVal"));
  24.          TextureSampler.Bind(Initializer.ParameterMap, TEXT("TextureSampler"));
  25.     }
  27.     //自己定义的Shader变量设置函数，形参和函数名可以自己随意设置
  28.     template<typename TShaderRHIParamRef>
  29.     void SetParameters(FRHICommandListImmediate& RHICmdList,const TShaderRHIParamRef ShaderRHI, const FLinearColor &MyColor,const FTextureRHIParamRef& TextureRHI)
  30.     {
  31.         SetShaderValue(RHICmdList, ShaderRHI, SimpleColorVal, MyColor);
  32.         SetTextureParameter(RHICmdList, ShaderRHI, TextureVal, TextureSampler,TStaticSamplerState<SF_Trilinear,AM_Clamp,AM_Clamp,AM_Clamp>::GetRHI(),TextureRHI);
  33.     }
  35.     //序列化虚函数
  36.     virtual bool Serialize(FArchive& Ar) override
  37.     {
  38.         bool bShaderHasOutdatedParameters = FGlobalShader::Serialize(Ar);
  39.         Ar << SimpleColorVal<< TextureVal<< TextureSampler;
  40.         return bShaderHasOutdatedParameters;
  41.     }
  42. private:
  43.     FShaderParameter SimpleColorVal;
  45.     FShaderResourceParameter TextureVal;
  46.     FShaderResourceParameter TextureSampler;
  47. };
  49. class FSimplePixelShaderVS : public FSimplePixelShader
  50. {
  51.     //声明Shader宏
  52.     DECLARE_SHADER_TYPE(FSimplePixelShaderVS, Global);
  53. public:
  54.     FSimplePixelShaderVS(){}
  56.     FSimplePixelShaderVS(const ShaderMetaType::CompiledShaderInitializerType& Initializer)
  57.         : FSimplePixelShader(Initializer)
  58.     {
  59.     }
  60. };
  62. class FSimplePixelShaderPS : public FSimplePixelShader
  63. {
  64.     //声明Shader宏
  65.     DECLARE_SHADER_TYPE(FSimplePixelShaderPS, Global);
  66. public:
  67.     FSimplePixelShaderPS(){}
  69.     FSimplePixelShaderPS(const ShaderMetaType::CompiledShaderInitializerType& Initializer)
  70.         : FSimplePixelShader(Initializer)
  71.     {
  72.     }
  73. };
  74. IMPLEMENT_SHADER_TYPE(, FSimplePixelShaderVS, TEXT("/Plugin/BRPlugins/Private/SimplePixelShader.usf"), TEXT("MainVS"), SF_Vertex)
  75. IMPLEMENT_SHADER_TYPE(, FSimplePixelShaderPS, TEXT("/Plugin/BRPlugins/Private/SimplePixelShader.usf"), TEXT("MainPS"), SF_Pixel)
复制代码
这里的代码只做示例，具体的请参考我的github。
如此一来就声明并向Ue4注册了Pixel与Vertex类型的GlobalShader。其实这里的PixelShader与VertexShader可以直接继承GlobalShader直接编写，不一定要像我这样写。
这里大家可以通过搜索SF_Pixel)或者SF_Vertex)，通过寻找EPIC官方写的代码来进行进一步的学习。这样想要绑定什么类型的变量都可以在源代码中找到答案。 这里推荐：
    Engine\Source\Runtime\UtilityShaders\Public\OneColorShader.h Engine\Source\Editor\UnrealEd\Private\Texture2DPreview.cpp Engine\Plugins\Compositing\LensDistortion\Source\LensDistortion\Private\LensDistortionRendering.cpp
编写渲染线程的渲染函数

Ue4中的渲染函数基本都是带有_RenderThread后缀的，所以我们可以通过搜索有_RenderThread寻找对应的代码。
具体的代码请参考我的github，这里只说大致流程。其大致流程如下：
    通过FRHIRenderPassInfo设置渲染层信息。 调用RHICmdList.BeginRenderPass函数开始渲染层。取得相关变量。例如：各种ShaderMap、顶点格式。 使用上一步取得的变量，设置显卡管线状态。 设置视口与Shader变量。使用Shader绘制。 调用RHICmdList.EndRenderPass函数结束渲染层。
大致步骤与4.19相同，较大的不同之处在于步骤1、2、6、7，FRHIRenderPassInfo据说与新的MeshDrawPipline有关，具体请参考:
BeginRenderPass与EndRenderPass代替了原本的SetRenderTarget与CopyToResolveTarget函数。 另外因为YivanLee的文章中所使用的DrawPrimitive函数已被标记为会被废弃的函数，所以最后我使用DrawIndexedPrimitive函数进行绘制。
编写蓝图函数库函数

为了能够在蓝图中调用渲染函数，这里我们需要声明一个BlueprinntFunctionLibrary并编写一个函数。
这里的代码只做示例，具体的请参考我的github。
  1. void USimplePixelShaderBlueprintLibrary::DrawTestShaderRenderTarget(const UObject* WorldContextObject, UTextureRenderTarget2D* OutputRenderTarget, FLinearColor MyColor, UTexture* MyTexture, FSimpleUniformStruct UniformStruct)
  2. {  
  3.     check(IsInGameThread());  
  5.     if (!OutputRenderTarget)  
  6.     {  
  7.         return;  
  8.     }  
  10.     //取得各种所需变量
  11.     FTextureRenderTargetResource* TextureRenderTargetResource = OutputRenderTarget->GameThread_GetRenderTargetResource();  
  12.     FTextureRHIParamRef TextureRHI = MyTexture->TextureReference.TextureReferenceRHI;
  13.     const UWorld* World = WorldContextObject->GetWorld();
  14.     ERHIFeatureLevel::Type FeatureLevel = World->Scene->GetFeatureLevel();  
  16.     //往渲染队列中添加新的渲染任务
  17.     ENQUEUE_RENDER_COMMAND(CaptureCommand)(  
  18.         [TextureRenderTargetResource, FeatureLevel, MyColor,TextureRHI, UniformStruct](FRHICommandListImmediate& RHICmdList)
  19.         {  
  20.             DrawTestShaderRenderTarget_RenderThread(RHICmdList,TextureRenderTargetResource, FeatureLevel, MyColor,TextureRHI, UniformStruct);
  21.         }  
  22.     );  
  23. }
复制代码
与 @YivanLee 文章中所写的函数相比，我对形参进行了修改。从AActor 改成了const UObject WorldContextObject，相应在函数内改成
  1. const UWorld* World=WorldContextObject->GetWorld();
复制代码
这样就不需要再外部指定Actor来获取World了。
编写USF与重新编译usf

以下是一个最简单的usf代码：
  1. #include "/Engine/Public/Platform.ush"
  3. float4 SimpleColor;
  4. void MainVS(
  5. in float4 InPosition : ATTRIBUTE0,
  6. out float4 OutPosition : SV_POSITION
  7. )
  8. {
  9.     OutPosition = InPosition;
  10. }
  12. void MainPS(
  13.     out float4 OutColor : SV_Target0
  14.     )
  15. {
  16.     OutColor = SimpleColor;
  17. }
复制代码
Ue4支持usf热编译，以下摘自官方文档
在运行非cook版本的游戏或者编辑器时，可以实时修改 .usf 文件，并用热键 Ctrl+Shift+. (period)或者在控制台输入 recompileshaders changed，便能重新读取并构建shader，以做到快速开发迭代！
测试结果

这里我提供一种测试方法，详细过程可以参考了 @YivanLee 的文章：


    创建一个Actor蓝图，将其放入场景。在Input选项卡的Auto Receive Input选项中选择Player 0。创建一个RenderTarget与Material，并将RenderTarget拖入Material，连接BaseColor节点。最后将这个材质赋予场景中任意一个可见的模型。 在事件图表中右键输入anykey，创建一个你指定按钮的按钮事件，调用之前写的蓝图函数，并且填入所需形参（填入第二步创建的RenderTarget与各个变量）。最后播放关卡，通过指定按键测试效果。
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