UE5 渲染源码学习 — Phase 2：GBuffer 与延迟光照管线
前置知识：Phase 1 渲染器架构总览（已理解 Render() 入口 + Pass 顺序）
对应笔记：Phase1-Renderer-Architecture
UE 版本：Unreal Engine 5.3+
2.1 什么是 GBuffer
GBuffer（Geometric Buffer，几何缓冲区）是延迟渲染的核心数据结构——把几何信息（位置/法线/材质）和光照信息分开存储，从而实现 N 个物体 × M 个光源 = N+M 次操作（而不是 N×M）。
传统前向渲染的问题
前向渲染（Forward Rendering）：
对于每个物体 → 对于每个光源 → 着色一次
场景：1000 个物体，100 个光源
操作数：1000 × 100 = 100,000 次着色
延迟渲染（Deferred Rendering）：
GBuffer 生成：1000 个物体 × 1 次 = 1000 次
光照叠加：N 个光源 × 1 次（只渲染全屏 quad）= 100 次
总操作数：1100 次GBuffer 物理存储（UE5 默认布局）
UE 默认使用 5 个 Render Target 存储 GBuffer：
GBuffer A (RGBA = RGB + A)
└── RGB: 法线（World Space Normal）
└── A: 粗糙度（Roughness）
GBuffer B (RGBA = RGB + A)
└── RGB: 基础反射率（Base Reflectivity / Metallic）
└── A: 金属度（Metallic）
GBuffer C (RGBA = RGB + A)
└── RGB: 高光度（Specular）
└── A: 次表面散射近似（Subsurface）
GBuffer D (R = R)
└── R: 逐像素速度（Velocity，用于 TAA）
GBuffer E (RGBA = RGB + A) [仅 MSAA 模式]
└── Stencil / 反射数据
Depth (D3D12 Texture2D)
└── 深度缓冲（Z-Buffer）UE 源码实现
cpp
// 源码路径：
// UnrealEngine/Engine/Source/Runtime/Renderer/Private/DeferredShadingRenderer.cpp
// GBuffer 创建（SceneRenderTargets.cpp）
class FSceneRenderTargets {
// 分配 GBuffer 纹理
void AllocateGBufferTargets() {
// GBufferA: 法线 + 粗糙度
GBufferA = RHICreateTexture2D(...)
-> Format = PF_A2B10G10R10 // 10bit 每通道，存储法线
// GBufferB: 基础反射 + 金属度
GBufferB = RHICreateTexture2D(...)
-> Format = PF_A2B10G10R10
// GBufferC: 高光 + 次表面
GBufferC = RHICreateTexture2D(...)
-> Format = PF_R8G8B8A8
}
};2.2 BasePass：GBuffer 生成
BasePass 负责把所有几何信息写入 GBuffer，是渲染流程中 DrawCall 最密集的一个 Pass。
源码路径
UnrealEngine/Engine/Source/Runtime/Renderer/Private/BasePassRendering.cpp
UnrealEngine/Engine/Source/Runtime/Renderer/Private/BasePassRenderErrors.cpp
UnrealEngine/Engine/Shaders/Private/BasePass.usfBasePass 渲染顺序
cpp
void FDeferredShadingSceneRenderer::RenderBasePass() {
// 1. 设置渲染目标为 GBuffer A/B/C/D + Depth
RHISetRenderTargets(GBufferA, GBufferB, GBufferC, GBufferD, Depth);
// 2. 按材质排序，合并相同 Shader 的 DrawCall
SortBasePassByPSO();
// 3. 对每个可见物体执行 BasePass 着色器
for (FPrimitiveSceneProxy* Proxy : VisiblePrimitives) {
// 写入：位置（从 Depth 反推）、法线、材质属性
DrawBasePass(Proxy);
}
}BasePass 写入的数据（逐像素）
| 变量 | 来源 | GBuffer 位置 |
|---|---|---|
WorldPos | 深度值 + 逆投影矩阵反推 | 隐式（Depth Buffer 反推） |
WorldNormal | 顶点法线插值 | GBufferA RGB |
Roughness | 材质参数 | GBufferA A |
BaseColor | 材质漫反射颜色 | GBufferB RGB |
Metallic | 材质参数 | GBufferB A |
Specular | 材质参数 | GBufferC RGB |
Velocity | 上一帧位置差值 | GBufferD |
BasePass.usf 核心代码（伪代码）
hlsl
void BasePass_Main(
float4 SvPosition,
float4 Position,
float3 Normal,
float2 TexCoord,
FMaterialParameters Material
) {
// 反推世界坐标位置
float DeviceZ = Texture2D(DownsampleDepth).Load(int3(SvPosition.xy, 0)).r;
float4 WorldPos = uv_ConvertFromDeviceZ(DeviceZ);
// 编码法线到 GBuffer（球面映射压缩）
float3 N = EncodeNormal(Normal); // 压缩到 [0,1]
OutGBufferA = float4(N, Material.Roughness);
// 材质属性直接写入
OutGBufferB = float4(Material.BaseColor, Material.Metallic);
OutGBufferC = float4(Material.Specular, Material.Subsurface);
}2.3 延迟光照（Deferred Lighting / Lighting Pass）
光照 Pass 是全屏 DrawCall——只渲染一个 Fullscreen Quad，遍历所有光源对 GBuffer 的每个像素叠加光照。
源码路径
UnrealEngine/Engine/Source/Runtime/Renderer/Private/DeferredShadingRenderer.cpp
UnrealEngine/Engine/Shaders/Private/DeferredShading.usf
UnrealEngine/Engine/Shaders/Private/LightRenderingCommon.ush延迟光照流程
cpp
void FDeferredShadingSceneRenderer::RenderLights() {
// 1. 渲染所有方向光（Directional Light，全屏一次）
RenderDirectionalLights();
// 2. 渲染所有点光源（Point Light，用球体/立方体裁剪）
for (FLightSceneProxy* Light : PointLights) {
// 遮挡剔除：球体内无物体则跳过
if (!IsLightVisible(Light)) continue;
RenderPointLight(Light);
}
// 3. 渲染所有聚光灯（Spot Light，锥体裁剪）
for (FLightSceneProxy* Light : SpotLights) {
if (!IsLightVisible(Light)) continue;
RenderSpotLight(Light);
}
}方向光全屏 Pass
方向光是最简单的延迟光照——因为是全局光（全屏受光），只渲染一次 Fullscreen Quad：
cpp
// DeferredShading.usf
void DirectionalLight_Main(float4 SvPosition : SV_Position) {
// 1. 解码 GBuffer
float3 WorldPos = GetWorldPositionFromGBuffer(SvPosition);
float3 Normal = DecodeNormalGBuffer(GBufferA);
float Roughness = GBufferA.a;
float3 BaseColor = GBufferB.rgb;
float Metallic = GBufferB.a;
// 2. 加载光源参数
float3 LightColor = DirectionalLight.Color;
float3 LightDir = DirectionalLight.Direction;
// 3. 漫反射（Lambert）+ 高光（Cook-Torrance BRDF）
float NdotL = saturate(dot(Normal, -LightDir));
float3 Diffuse = NdotL * BaseColor * (1 - Metallic) * LightColor;
float3 V = normalize(CameraPos - WorldPos);
float3 H = normalize(-LightDir + V);
float NdotH = saturate(dot(Normal, H));
float3 F0 = lerp(0.04, BaseColor, Metallic);
float3 F = FresnelSchlick(F0, H, V);
float3 Specular = F * (Roughness * 0.9 + 0.1); // 分级粗糙度
// 4. 输出到光照缓冲
OutLighting = float4(Diffuse + Specular, 1);
}点光源/聚光灯：GPU Culling
UE5 的改进之一是 GPU 侧光源剔除——在 Compute Shader 里做视锥体裁剪，而不是 CPU 侧提前算：
cpp
// LightCulling.usf（UE5 新增）
[numthreads(64, 1, 1)]
void ComputeLightCulling(uint3 GroupId : SV_GroupID) {
// 每个线程块处理一块 Tile（通常是 16x16 像素）
// 判断该 Tile 内的光源可见性，输出到 LightGrid Buffer
}2.4 光源分类与叠加方式
UE 的光源类型
| 类型 | 光照 Pass 方式 | 特殊处理 |
|---|---|---|
| 方向光（Directional） | 全屏 1 次 | 最多 4 个（级联阴影） |
| 点光源（Point） | 球体裁剪后渲染 | 距离衰减（平方衰减） |
| 聚光灯（Spot） | 锥体裁剪后渲染 | 角度衰减（余弦锥） |
| 矩形光（Rect Light） | 光罩几何体渲染 | 专门 BRDF |
| 天空光（Sky Light） | IBL 环境采样 | 从 Cubemap 读取 |
光照缓冲（Lighting Buffer）
GBuffer 写入的是几何/材质属性，光照 Pass 写入光照缓冲：
Lighting Buffer = Ambient + Σ(Light_i × Visibility_i)
其中：
- Ambient = 环境光（Sky Light 或固定的 Hemisphere Light）
- Light_i = 第 i 个光源的贡献
- Visibility_i = 阴影遮蔽（Shadow Map 或 SDF）2.5 阴影系统：Shadow Depth Pass
光照 Pass 里每个光源都需要 Shadow Map，Shadow Depth Pass 负责渲染阴影深度。
源码路径
UnrealEngine/Engine/Source/Runtime/Renderer/Private/ShadowRendering.cpp
UnrealEngine/Engine/Shaders/Private/ShadowDepths.usfShadow Map 渲染流程
cpp
void FSceneRenderer::RenderShadowDepths() {
// 对每个光源：
for (FLightSceneProxy* Light : ShadowCastingLights) {
// 1. 设置正交投影（方向光）或透视投影（点/聚光）
SetShadowProjection(Light);
// 2. 渲染阴影级联（Directional Light 有多级级联）
RenderShadowDepthPass(Light);
// 3. PCF 软阴影滤波
// 4. 存储到 ShadowDepthTexture
}
}PCF（Percentage Closer Filtering）
UE 默认使用 PCF 软阴影：
hlsl
// ShadowDepths.usf
float CalcShadowPCF(float3 WorldPos, float4 ShadowUVZ) {
float ShadowTerm = 0.0;
// 3x3 或 5x5 抖动采样
for (int i = -1; i <= 1; i++) {
for (int j = -1; j <= 1; j++) {
float2 Offset = float2(i, j) / ShadowMapSize;
float DepthInShadowMap = ShadowTexture.Sample(ShadowUVZ + Offset).r;
ShadowTerm += (ShadowUVZ.z <= DepthInShadowMap) ? 1.0 : 0.0;
}
}
return ShadowTerm / 9.0; // 取平均实现软阴影
}2.6 GBuffer 格式选择：PF_A2B10G10R10 的意义
GBufferA 和 GBufferB 使用 PF_A2B10G10R10 格式（10bit 每通道），这是 UE 的一个关键设计选择。
为什么不用 RGBA8 或 RGBA16？
| 格式 | 精度 | 问题 |
|---|---|---|
| RGBA8 | 8bit/通道（0-255） | 精度不够，法线方向需要连续梯度 |
| RGBA16F | 16bit/通道 | 显存翻倍（4 个 RT × 16bit = 64 byte/像素） |
| A2B10G10R10 | 10bit/通道 + 2bit A | ✅ 平衡精度和带宽 |
法线编码：球面映射
法线是三维向量（x,y,z），压缩到 10bit×3 通道：
hlsl
// BasePass.usf
float3 EncodeNormal(float3 N) {
// 映射到 [0,1]，存储
return N * 0.5 + 0.5;
}
float3 DecodeNormal(float3 EncodedN) {
// 解码回 [-1,1]
return EncodedN * 2.0 - 1.0;
}2.7 常见坑与思考
坑 1：GBuffer 带宽爆炸
默认 5 个 Render Target = 160 bit/像素（32bit×5），4K 分辨率（3840×2160）下：
160 bit × 3840 × 2160 / 8 = 1.66 GB/帧（仅 GBuffer）→ UE5 引入 Mobile Profile 压缩：GBuffer A/B 合并为 2 通道 RGBA8
坑 2：半透明物体无法写入 GBuffer
GBuffer 只存不透明物体（Opaque），半透明物体需要单独用 前向渲染（Translucency Pass）： → 这就是为什么透明物体不受后期处理影响（需要单独做 Screen Space Ray Marching）
思考：延迟渲染的局限
- 显存占用大：多个 GBuffer RT 消耗显存
- MSAA 难支持：GBuffer 混合 MSAA 需要额外 RT（GBuffer E）
- 透明物体要单独处理：无法用同一个 Pass
2.8 本阶段产出目标
- [ ] 能说出 GBuffer 的 5 个 RenderTarget 分别存什么
- [ ] 能画出 BasePass → LightingPass → ShadowPass 的数据流
- [ ] 能解释
PF_A2B10G10R10格式选择的原因 - [ ] 能在 RenderDoc 里找到 BasePass 并数出写了几个 GBuffer
- [ ] 理解半透明物体无法用延迟渲染的原因
2.9 下一步预告
Phase 3：Nanite — GPU-Driven 渲染系统
- Cluster BVH 构建（替代传统 DrawCall）
- Hardware Rasterizer vs Software Fallback
- 万级物体渲染的并行化思路
附录：相关笔记
- Phase1-Renderer-Architecture — 渲染器总览
- DirectX12-Learning-Plan — DX12 基础（前置知识）
Contributors
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