UE5 渲染源码学习 — Phase 3：Nanite — GPU-Driven 渲染系统
前置知识：Phase 1（渲染器架构）+ Phase 2（GBuffer 延迟光照）
对应笔记：Phase2-GBuffer-And-Deferred-Lighting
UE 版本：Unreal Engine 5.3+（Nanite 是 UE5 核心新功能）
3.1 Nanite 是什么
Nanite 是 UE5 引入的 GPU-Driven 虚拟几何体系统，目标是解决「亿级多边形场景」的性能问题——传统 DrawCall 模式下，每个物体一次 DrawCall，10000 个物体 = 10000 次 DrawCall（CPU 瓶颈）。Nanite 把几何处理（裁剪、LOD 选择、细分）全部推到 GPU，用 Compute Shader 替代 CPU 的视锥体剔除。
核心思想
传统渲染（UE4）：
CPU 遍历所有物体 → CPU 视锥体裁剪 → CPU LOD选择 → GPU 渲染
瓶颈：CPU 遍历 + DrawCall 提交
Nanite（UE5）：
所有静态几何 → 预烘焙成 Cluster BVH（GPU 侧）
渲染时：GPU Compute Shader → 并行裁剪 → 直接写入 Rasterizer
瓶颈：显存带宽 + Rasterizer 吞吐数字对比（Epic 官方演示）
| 指标 | UE4 方式 | UE5 Nanite |
|---|---|---|
| 单场景多边形数 | 百万级 | 十亿级 |
| DrawCall 数量 | 万级 | 百级 |
| 显存占用（几何） | 高（每个 LOD 完整存储） | 低（Cluster 流式加载） |
| 适用场景 | 中小型场景 | 影视级场景（Zakville Demo） |
3.2 Cluster：Nanite 的基本处理单元
Nanite 不以「物体」为基本单位，而是 Cluster（簇）。
Cluster 的定义
一个 Cluster = 一组三角形（通常是 128-256 个三角形）
每个 Cluster 有自己的：
- 顶点数据（Position + Normal + UV）
- LOD 层级（1-7 级，逐级细分）
- Bounding Volume（球形/盒形包围盒）Cluster 的 LOD 策略
Nanite 使用 连续 LOD（Continuous LOD），而非 UE4 的离散 LOD：
cpp
// 每个 Cluster 有 7 级 LOD（LOD 0 最精细，LOD 6 最粗糙）
// 根据屏幕投影面积决定使用哪一级 LOD
float ComputeLODLevel(FCluster& Cluster, float4x4 ViewProj, uint2 ScreenPos) {
float4 ClipPos = TransformWorldToClip(Cluster.Center);
float ScreenArea = ClipPos.w / length(ClipPos.xyz); // 投影面积
// ScreenArea 越大 → LOD 越低（像素少，用低精度）
return clamp(log2(ScreenArea / TargetPixelCount), 0, 6);
}Cluster 和传统 Mesh 的关系
传统 UE4：
StaticMesh → LOD0(10k三角) + LOD1(5k) + LOD2(2k) + LOD3(1k)
每个 LOD 都是完整的独立网格体，CPU 选择其中一个上传 GPU
Nanite：
StaticMesh → Cluster 0..N（每 128-256 三角一个 Cluster）
每个 Cluster 有 7 级嵌入式 LOD（不是独立网格，是顶点索引子集）
GPU 根据投影面积动态选择 LOD 级别3.3 Cluster BVH：层级包围体结构
Cluster 的层级组织靠 BVH（Bounding Volume Hierarchy） 实现。
BVH 结构
cpp
struct FNaniteBVHNode {
float3 BoundingBoxMin; // 包围盒最小点
float3 BoundingBoxMax; // 包围盒最大点
uint ChildStart; // 子节点起始索引（0 = 叶节点）
uint ChildCount; // 子节点数量（0 = 叶节点）
uint ClusterIndex; // 叶节点指向的 Cluster ID
};BVH 构建（预烘焙，Editor 阶段）
输入：原始三角网格
输出：Cluster BVH（.nanite 文件，写入到 UE Asset）
构建步骤：
1. Mesh Simplification（几何简化）
→ 输出一组不同精度的新网格（LOD 0-6）
2. Cluster Partition（聚类）
→ 将三角网格划分为 128-256 三角一组的 Cluster
3. BVH Construction（BVH 构建）
→ 递归二分，构建 BVH 树
4. Write .nanite Asset
→ 将顶点、Cluster、BVH 数据序列化GPU 侧 BVH 遍历（渲染时）
hlsl
// NaniteClusterCulling.usf（Compute Shader）
[numthreads(64, 1, 1)]
void ClusterCullingMain(uint3 GroupId : SV_GroupID) {
// 每个线程处理一个 BVH Node
FNaniteBVHNode Node = BVHBuffer[GroupId.x];
// 视锥体裁剪测试
bool bInsideFrustum = FrustumTest(Node.BoundingBox);
if (!bInsideFrustum) return; // 不在视野内，跳过
// 遮挡测试（可选，用 Hi-Z Buffer）
if (OcclusionTest(Node.BoundingBox)) return;
if (Node.IsLeaf) {
// 叶节点：写入可见 Cluster 列表（AppendBuffer）
uint OutIndex = ClusterList.IncrementCounter();
ClusterList[OutIndex] = Node.ClusterIndex;
} else {
// 非叶节点：继续遍历子节点（WorkQueue）
EnqueueChildren(Node.ChildStart, Node.ChildCount);
}
}3.4 光栅化：Hardware Rasterizer vs Software Fallback
Nanite 渲染有两种路径，取决于 GPU 是否支持硬件光栅化。
路径 1：Hardware Rasterizer（支持 SM6+ 的 GPU）
硬件光栅化是最高效的路径，Cluster 直接写入 GPU Rasterizer：
cpp
// NaniteRasterizer.cpp
void FNaniteRasterizerState::RasterizeClusters() {
// 1. 设置 Vertex Shader：Nanite 标准顶点着色器
// → 从 VertexBuffer 读取 Cluster 顶点
// → 输出 ClipPos（裁剪空间位置）
// 2. 设置 Primitive Shader（SM6 新增）：
// → 替代传统光栅器，自动处理背面剔除 + 视口裁剪
RHISetPrimitiveShader(Cluster.PrimitiveID);
// 3. 光栅化：
// Hardware Rasterizer 自动处理
// 输出：三角形的覆盖信息 → 写入深度缓冲
}路径 2：Software Fallback Rasterizer（不支持 SM6 的 GPU）
SM5 及以下的 GPU 不支持硬件光栅化，UE 提供了软件光栅化路径（基于 Compute Shader）：
hlsl
// NaniteSoftwareRasterizer.usf
[numthreads(8, 8, 1)]
void SoftwareRasterMain(uint3 DispatchThreadId : SV_DispatchThreadID) {
uint2 PixelPos = DispatchThreadId.xy;
// 对每个三角形执行原子操作（z-buffer 测试）
for (uint TriIdx = 0; TriIdx < NumTriangles; TriIdx++) {
float3 V0 = ClusterVertices[TriIdx * 3 + 0];
float3 V1 = ClusterVertices[TriIdx * 3 + 1];
float3 V2 = ClusterVertices[TriIdx * 3 + 2];
// 重心坐标光栅化
float3 Bary = ComputeBaryCentric(PixelPos, V0, V1, V2);
if (IsInsideTriangle(Bary)) {
float DeviceZ = InterpolateDepth(Bary, V0.z, V1.z, V2.z);
// 原子比较深度（只写入最前面的像素）
uint Old = atomicMin(DepthBuffer[PixelPos], floatBitsToUint(DeviceZ));
}
}
}3.5 Nanite 和传统渲染管线的整合
Nanite 不是完全独立的系统，它需要和 UE 的其他渲染 Pass 配合。
Nanite 在 FSceneRenderer::Render() 中的位置
cpp
void FSceneRenderer::Render() {
InitViews(); // 可见性计算（Nanite 在这里被调用）
// Nanite 的特殊入口（替代了传统的 BasePass）
RenderNanite(); // ← Nanite 专属 Pass，处理所有 Nanite 几何体
// 后续 Pass 和传统几何体合并处理
RenderShadowDepths(); // 阴影（包含 Nanite 阴影）
RenderBasePass(); // 非 Nanite 几何的 BasePass
RenderLights();
// ...
}Nanite 的阴影处理
Nanite 物体也需要投射阴影，UE 的做法是 把 Nanite 物体当作光源视锥体内的 Cluster 渲染到 ShadowDepth：
cpp
void FShadowSetup::RenderNaniteShadowDepth() {
// ShadowDepth Pass 里专门有一个子 Pass 渲染 Nanite Cluster
for (auto& ShadowView : ShadowViews) {
// 对每个阴影级联：
CullNaniteClustersForShadow(ShadowView);
RasterizeNaniteClustersToShadowMap(ShadowView);
}
}3.6 Nanite 的局限性
| 局限 | 说明 |
|---|---|
| 不支持的程序化内容 | Procedural Mesh、Spline Mesh 暂不支持（需手动烘焙） |
| 不支持透明物体 | Translucency 仍走传统渲染路径 |
| 不支持 Morph Target | 角色动画变形暂不支持 |
| 不支持 Vertex Animation | 顶点动画（如 Vertex Noise）暂不支持 |
| 显存占用 | Cluster BVH + 多级 LOD 数据全部常驻显存（高精度场景可达数 GB） |
| 不支持 Skinned Mesh | 骨骼动画物体走传统路径（UE5.1+ 开始部分支持） |
3.7 Nanite 源码文件导航
| 文件 | 作用 |
|---|---|
NaniteClusterCulling.cpp | Cluster 剔除（Compute Shader 入口） |
NaniteRasterizer.cpp | 光栅化状态管理 |
NaniteHardwareRasterizer.cpp | 硬件光栅化路径 |
NaniteSoftwareRasterizer.cpp | 软件光栅化 Fallback |
NaniteBVHNodes.cpp | BVH 节点结构定义 |
NaniteShadows.cpp | Nanite 阴影渲染 |
NaniteData.h/cpp | Cluster / Vertex 数据结构 |
NaniteVisualization.cpp | Nanite 调试可视化 |
Shader 文件
Engine/Shaders/Private/Nanite/
├── NaniteClusterCulling.usf ← Cluster 剔除 Compute Shader
├── NaniteDepthOnly.usf ← Nanite 深度 Pass
├── NaniteHardwareRasterizer.usf ← 硬件光栅化 Shader
├── NaniteSoftwareRasterizer.usf ← 软件光栅化 Shader
├── NaniteShadows.usf ← Nanite 阴影
├── NaniteVisBuffer.usf ← 可视化缓冲（调试用）3.8 本阶段产出目标
- [ ] 能解释 Cluster 和传统 Mesh/LOD 的本质区别
- [ ] 能画出 Nanite Cluster → BVH → Culling → Rasterizer 的数据流
- [ ] 能区分 Hardware Rasterizer 和 Software Fallback 的适用场景
- [ ] 能在 RenderDoc 里找到 Nanite Pass（ClusterCulling / Rasterizer）
- [ ] 理解 Nanite 的 4 个核心局限（不支持透明/程序化/动画）
3.9 下一步预告
Phase 4：Lumen — 即时全局光照
- Screen Space GI（屏幕空间全局光照）
- Surface Cache（表面缓存）
- Hardware Ray Tracing vs Software Ray Marching
- Lumen 和 Nanite 的协作方式
附录：相关笔记
- Phase2-GBuffer-And-Deferred-Lighting — GBuffer 与延迟光照
- Phase1-Renderer-Architecture — 渲染器总览
- DirectX12-Learning-Plan — DX12 基础（了解光栅化硬件原理）
Contributors
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