3D 模型渲染

• 模型（Model）
• • Primitives 简单的模型
  • 复杂的模型
  • 模型的组成
  • • 几何
    • 纹理图片
    • 材质模型及描述
  • 模型文件格式
• 什么叫渲染
• 渲染管线
• • 顶点着色（顶点处理）
  • 片段着色（片段处理）
• UE4 模型渲染
• • UE4程序化模型渲染
  • • UProceduralMeshComponent
    • UStaticMeshComponent
    • UPrimitiveComponent&UMeshComponent
• 参考

模型（Model）

这里只着重三角形网格Mesh模型（三角形化）。

Primitives 简单的模型

复杂的模型

模型的组成

几何

例如最简单的obj格式的模型文件存储的内容：

• v 几何体顶点Geometric vertices)
• vt 贴图坐标Texture vertices)
• vn 顶点法线Vertex normals)
• f （三角）面索引Face)
  

纹理图片

常见的图片格式JPG、PNG、BMP等等。

材质模型及描述

• MeshBasicMaterial（贴图或本身颜色
• MeshLambertMaterial（基于顶点）
• MeshPhongMaterial （基于像素）
• MeshStandardMaterial （粗糙度和金属度）
• MeshPhysicalMaterial
  
  
  
  
  
  

模型文件格式

模型的格式有很多中，如obj、gltf、stl、fbx、3dmax、OSGB、3DTiles、Revit及IFC等等，除了以上最基本的数据外，还保存了其他诸如场景关系、属性数据、拓扑数据及动画骨骼数据等等。

什么叫渲染

简单来说就是用Image来表达Model，即几何数据（3D&2D Model）的可视化展现。

渲染管线

这里主要说明两点顶点着色和片段着色。

顶点着色（顶点处理）

一个顶点着色器的工作是生成裁剪空间坐标值。
模型中几何顶点数据大都是以局部坐标存储的，即模型的中心点在模型上或是附近。将模型渲染到屏幕上需要进行的一系列坐标转换（Transform）。

UE4 封装的相关函数：

void FSceneView::DeprojectScreenToWorldconst FVector2D& ScreenPos, const FIntRect& ViewRect, const FMatrix& InvViewProjMatrix, FVector& out_WorldOrigin, FVector& out_WorldDirection)
{float PixelX = FMath::TruncToFloatScreenPos.X);float PixelY = FMath::TruncToFloatScreenPos.Y);// Get the eye position and direction of the mouse cursor in two stages inverse transform projection, then inverse transform view).// This avoids the numerical instability that occurs when a view matrix with large translation is composed with a projection matrix// Get the pixel coordinates into 0..1 normalized coordinates within the constrained view rectangleconst float NormalizedX = PixelX - ViewRect.Min.X) / float)ViewRect.Width));const float NormalizedY = PixelY - ViewRect.Min.Y) / float)ViewRect.Height));// Get the pixel coordinates into -1..1 projection spaceconst float ScreenSpaceX = NormalizedX - 0.5f) * 2.0f;const float ScreenSpaceY = 1.0f - NormalizedY) - 0.5f) * 2.0f;// The start of the ray trace is defined to be at mousex,mousey,1 in projection space z=1 is near, z=0 is far - this gives us better precision)// To get the direction of the ray trace we need to use any z between the near and the far plane, so let's use mousex, mousey, 0.5)const FVector4 RayStartProjectionSpace = FVector4ScreenSpaceX, ScreenSpaceY, 1.0f, 1.0f);const FVector4 RayEndProjectionSpace = FVector4ScreenSpaceX, ScreenSpaceY, 0.5f, 1.0f);// Projection changing the W coordinate) is not handled by the FMatrix transforms that work with vectors, so multiplications// by the projection matrix should use homogeneous coordinates i.e. FPlane).const FVector4 HGRayStartWorldSpace = InvViewProjMatrix.TransformFVector4RayStartProjectionSpace);const FVector4 HGRayEndWorldSpace = InvViewProjMatrix.TransformFVector4RayEndProjectionSpace);FVector RayStartWorldSpaceHGRayStartWorldSpace.X, HGRayStartWorldSpace.Y, HGRayStartWorldSpace.Z);FVector RayEndWorldSpaceHGRayEndWorldSpace.X, HGRayEndWorldSpace.Y, HGRayEndWorldSpace.Z);// divide vectors by W to undo any projection and get the 3-space coordinateif HGRayStartWorldSpace.W != 0.0f){RayStartWorldSpace /= HGRayStartWorldSpace.W;}if HGRayEndWorldSpace.W != 0.0f){RayEndWorldSpace /= HGRayEndWorldSpace.W;}const FVector RayDirWorldSpace = RayEndWorldSpace - RayStartWorldSpace).GetSafeNormal);// Finally, store the results in the outputsout_WorldOrigin = RayStartWorldSpace;out_WorldDirection = RayDirWorldSpace;
}

bool FSceneView::ProjectWorldToScreenconst FVector& WorldPosition, const FIntRect& ViewRect, const FMatrix& ViewProjectionMatrix, FVector2D& out_ScreenPos)
{FPlane Result = ViewProjectionMatrix.TransformFVector4FVector4WorldPosition, 1.f));if  Result.W > 0.0f ){// the result of this will be x and y coords in -1..1 projection spaceconst float RHW = 1.0f / Result.W;FPlane PosInScreenSpace = FPlaneResult.X * RHW, Result.Y * RHW, Result.Z * RHW, Result.W);// Move from projection space to normalized 0..1 UI spaceconst float NormalizedX =  PosInScreenSpace.X / 2.f ) + 0.5f;const float NormalizedY = 1.f -  PosInScreenSpace.Y / 2.f ) - 0.5f;FVector2D RayStartViewRectSpace NormalizedX * float)ViewRect.Width) ), NormalizedY * float)ViewRect.Height) ));out_ScreenPos = RayStartViewRectSpace + FVector2Dstatic_cast<float>ViewRect.Min.X), static_cast<float>ViewRect.Min.Y));return true;}return false;
}

片段着色（片段处理）

一个片段着色器的工作是为当前光栅化的像素提供颜色值。
每一个片段（像素）的color值，由你所选的“材质”决定，光照的影响及本身特性（颜色）组合。

UE4 模型渲染

UE4 引擎提供了强大的编辑器（场景编辑器、材质编辑器及蓝图编辑器等等），大大简化三维渲染的复杂性。

• 场景编辑器：模型的拖动、缩放和旋转，简单操作就可以实现局部坐标到世界坐标的转换。
• 材质编辑器：不用考虑复杂的顶点着色和片段着色器代码的编写（HLSL）。
• 蓝图编辑器：不用写C++代码，就可以完成一些游戏逻辑。

UE4程序化模型渲染

在UE4开发中, 通常用到的Mesh有StaticMesh,SkeletalMesh,ProceduralMesh等等, 它们对应都有相应的渲染组件如UStaticMeshComponent, UProceduralMeshComponent， 本质上这些Mesh组件都继承了UPrimitiveComponent, UPrimitiveComponent通过FPrimitiveSceneProxy渲染代理负责将特定的Mesh的渲染数据VertexBuffer, IndexBuffer, Material)从游戏线程送往渲染线程。有时候为了定制某种特殊的Mesh渲染, 我们得自定义新的PrimitiveComponent。当然UProceduralMeshComponent往往满足了定制新的Mesh需求, 但有时候为了进一步的性能或者进行特殊的MeshPass得定制PrimitiveComponent)。

UE4中涉及Mesh Model的组件：

UProceduralMeshComponent

UProceduralMeshComponent* meshComp =NewObject<UProceduralMeshComponent>this, meshName);
meshComp->RegisterComponent);
meshComp->AttachToComponentRootComponent, 
UTexture2D* texture = GetTextrue2DmeshInfo->mImageResolutionS, meshInfo->mImageResolutionT, meshInfo->mImageSize, meshInfo->mImageData, meshInfo->mTextureFormat);
TArray<FVector> normals;  //法线
TArray<FProcMeshTangent> tangents;
TArray<FLinearColor> vertexColors; //顶点颜色
meshComp->CreateMeshSection_LinearColor0, meshInfo->mVerticeArray, meshInfo->mTriangleArray, normals,meshInfo->mTexCoordArray, vertexColors, tangents, true);
if materialTemp != nullptr)
{UMaterialInstanceDynamic* dynamicMaterial = UMaterialInstanceDynamic::CreatematerialTemp, this);dynamicMaterial->SetTextureParameterValue"PagedLodTex", texture);meshComp->SetMaterial0, dynamicMaterial);
}

UStaticMeshComponent

参考cesium for unreal 相关代码
CesiumForUnreal\Source\CesiumRuntime\Private\CesiumGltfComponent.cpp

UPrimitiveComponent&UMeshComponent

参考电缆Mesh的实现：Engine\Plugins\Runtime\CableComponent\Source\CableComponent\Classes\CableComponent.h

参考

1、https://www.bilibili.com/video/BV1X7411F744/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=378fcf68e20d55ad4334c47f1ce0a8f7

2、https://www.bilibili.com/video/BV1sN4y1A7Xv/?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_history.content.click&vd_source=378fcf68e20d55ad4334c47f1ce0a8f7

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