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title: VirualShadowMap优化笔记
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date: 2023-02-08 12:29:43
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excerpt:
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tags: VSM Nanite
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rating: ⭐
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# 前言
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VirualShadowMap与Nanite关系很大，如果场景中有很多非Nanite物体就需要将其都穿成Nanite，之后可以用Nanite Tool或者VirualShadowMap Cache显示模型来检查场景，具体可以参考[[Nanite学习笔记]]。具体优化步骤可以参考[[#优化案例]]。
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# 相关命令（某个A站作品使用的参数）
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## VT
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- r.VT.MaxUploadsPerFrameInEditor 8
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- r.VT.MaxUploadsPerFrame 8
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- r.VT.MaxContinuousUpdatesPerFrameInEditor 2
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- r.VT.MaxContinuousUpdatesPerFrame 2
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- r.VT.MaxAnisotropy 8
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## Lumen相关命令
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- r.MeshDrawCommands.DynamicInstancing 0
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- r .Shadow.Virtual.NonNanite.IncludeInCoarsePages 0
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- r.Lumen.Reflections.DownsampleFactor 1.98
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- r.Lumen.ScreenProbeGather.Temporal.DistanceThreshold 1.7
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- r.RayTracing.NormalBias 5.0
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- r.Lumen.ScreenProbeGather.MaxRayIntensity 10
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- r.Lumen.ScreenProbeGather.ScreenTraces.HZBTraversal 0
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- r.Lumen.Reflections.HierachicalScreenTraces.MaxIterations 4
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## VirualShadowMap
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- r.Shadow.RadiusThreshold 0.05
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- r.ShadowVirtualClip .LastLevel 15
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- r.Shadow.Virtual.ResolutionLodBiasDirectional -1.1
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- r.Shadow.Virtual.Clipmap.UseConservativeCulling 0
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- r.Shadow.Virtual.Cache.MaxMaterialPositionInvalidationRange 3500
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- r.Shadow.Virtual.ForceOnlyVirtualShadowMaps 1
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- r.Shadow.Virtual.0.CulingFarCulingFar
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# 其他优化思路
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其次，local灯光的数量对VSM的性能有较大影响。一方面可以考虑减少不必要的局部光源数量，此外可以尝试使用One Pass Projection功能（实验性），来提高性能。开启方法如下：
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- `r.UseClusteredDeferredShading 1`
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- `r.Shadow.Virtual.OnePassProjection 1`
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然后还可以通过调整下列CVar（默认值16）到更小的数字，来强行限制每个像素受到影响的灯光数量，来提高性能。
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`r.Shadow.Virtual.OnePassProjection.MaxLightsPerPixel`
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此外，还有一些实践思路供参考，例如：
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减少屏幕上大面积像素受到多个大范围局部灯光的影响（**减少多个局部灯光重叠影响同一片大面积区域**）；
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减小局部灯光的**Source Radius**属性和方向光的**Source Angle**属性可以降低**VSM Ray的数量**；
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关闭数量庞大的**次要模型的投影**；
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关闭**超远距离**的背景物体模型的**投影**等；
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# VirualShadowMap使用笔记（浓缩自官方文档）
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启用**VirualShadowMap**之后：
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1. 无论距离如何，**Nanite几何体**始终使用**虚拟阴影贴图**渲染阴影，因为这是性能最高的选项，可提供最高质量。可以通过控制台变量 `r.Shadow.Virtual.UseFarShadowCulling 0` 使非Nanite几何体的行为方式与Nanite相同。
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2. **静态烘焙阴影**将会失效。
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3. **距离场阴影**主要作用于非Nanite物体（比如大量植被）超出**动态阴影距离可移动光源（Dynamic Shadow Distance Movable Light）** 距离的阴影渲染。
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4. 局部光源（**点光源和聚光光源**）不受影响，依然会使用**距离场阴影**进行渲染。
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5. **光线追踪阴影**的优先级仍然高于VSM
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## 相关命令
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- r.Shadow.Virtual.ResolutionLodBiasLocal：调整分辨率。
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- r.Shadow.Virtual.NonNanite.IncludeInCoarsePages 0 ：尝试禁止非Nanite对象渲染到CoarsePages。
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- 可视化参数
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- r.Shadow.Virtual.Visualize [mode] ：在Virtual Shadow Map可视化模式下，此命令指定要显示的通道。**Cache** 和 **vpage** 是用于可视化的两个常用选择，**none** 可禁用vsm可视化。
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- mask
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- Mip
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- vpage
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- cache
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- raycount
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- clipmapvirtual
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- ShowFlag.VisualizeVirtualShadowMap：指定可视化模式时，启用虚拟阴影贴图可视化。
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- r.Shadow.Virtual.Visualize.Layout：选择虚拟阴影贴图可视化的布局。
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- **0** 表示全屏
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- **1** 表示缩略图
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- **2** 表示分屏
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- r.Shadow.Virtual.Visualize.DumpLightNames：将带有虚拟阴影贴图的当前光源列表输出到控制台。
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- r.Shadow.Virtual.Visualize.LightName [光源名称]：按名称指定光源，接受部分或全部匹配。
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- r.Shadow.Virtual.Cache.DrawInvalidatingBounds 1：显示缓存失效边界。
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- r.Shadow.Virtual.Cache 0：禁用缓存。
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## 相关可视化
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- View Modes-Virtual Shadow Map：在大纲中选中光源可以查看对应光源的渲染信息。
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- Show > Visualize > **仅绘制导致VSM失效的几何体（Draw only Geometry Causing VSM Invalidation）**
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- r.ShaderPrintEnable 1：显示计数器
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- r.Shadow.Virtual.ShowStats 1（或2，以仅显示页统计数据）
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## 非Nanite多边形渲染
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可变形多边形（SkeletalMesh、WorldPositionOffset、PixelDepthOffset）都会使**VirtualShadowCache** 失效。
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在某些情况下，例如草，有时是植被，仅使用[接触阴影](https://docs.unrealengine.com/5.1/zh-CN/contact-shadows-in-unreal-engine)足以替代高分辨率阴影贴图。如果前景中需要细节丰富的阴影，请考虑以下事项以帮助降低性能开销：
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- 非Nanite对象仍然遵循常规的阴影CPU剔除设置，例如 `r.Shadow.RadiusThreshold`。使用这些来帮助控制将这些对象渲染到虚拟阴影贴图的开销。
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- 在有大量植被的场景中，强烈建议使用 `r.Shadow.Virtual.NonNanite.IncludeInCoarsePages 0` 禁用粗页中的非Nanite对象。或者，如果不需要，请考虑[完全禁用粗页](https://docs.unrealengine.com/5.1/zh-CN/virtual-shadow-maps-in-unreal-engine#%E7%B2%97%E9%A1%B5)。
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- 使用网格体LOD在效果不再明显的距离处切换到不使用WPO/PDO的材质。在某些情况下，可以为远处的这些对象**关闭动态阴影投射**，并完全依赖屏幕空间**接触阴影**。
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对于定向光源，还有其他可用选项：
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- 距离场阴影替代超出 **Dynamic Shadow Distance Movable Light** 距离范围的非Nanite几何体，该距离通过光源的级联阴影贴图（Cascaded Shadow Maps）分段设置。为远处的非Nanite切换到**距离场阴影**，可以大大提高性能，因为此几何体没有Nanite提供的细粒度LOD缩放。
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- 在某些情况下，创建移除WPO/PDO的材质LOD可能不切实际，但这些转换的最终效果在远处不明显。使用 `r.Shadow.Virtual.Cache.MaxMaterialPositionInvalidationRange` 设置距离（以厘米为单位），超过该距离时，将忽略这些材质的缓存失效。
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# Shadow Map Ray Tracing(阴影贴图光线追踪)
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一种渲染**软阴影**的方式。可通过以下命令来设置采样数值：
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- `r.Shadow.Virtual.SMRT.RayCountLocal` ：每个像素采样光线数量。
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- `r.Shadow.Virtual.SMRT.RayCountDirectional`：每个像素采样光线数量。
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- `r.Shadow.Virtual.SMRT.SamplesPerRayLocal`：每个像素受到VSM的光线追踪影响的数量。
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- `r.Shadow.Virtual.SMRT.SamplesPerRayDirectional`：每个像素受到VSM的光线追踪影响的数量。
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- `r.Shadow.Virtual.SMRT.MaxRayAngleFromLight`：通过降低半影的精度来优化性能。
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- `r.Shadow.Virtual.SMRT.RayLengthScaleDirectional`：通过降低半影的精度来优化性能。
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# ## GPU分析和优化
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- **RenderVirtualShadowMaps(Nanite)** 包含所有与Nanite几何体渲染到VSM中相关的内容。所有定向光源都在单个Nanite通道中渲染，所有局部光源都在第二个通道中渲染。
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- **RenderVirtualShadowMaps（非Nanite）** 负责处理非Nanite几何体的渲染。每个可见光源都有一个单独的通道，各种对象和实例拥有单独的绘制调用，这点与传统阴影贴图渲染相同。
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- **图集（Atlas）** 和 **立方体贴图（Cubemap）** 与其他类似通道（包括VSM通道），都只是渲染传统阴影贴图。在虚拟阴影贴图的路径中，仍有少部分类型的几何体不受支持，它们遵循传统路径。如果没有不受支持的几何体投射阴影，这些通道将不会运行或分配阴影贴图存储。这些通道和相关的开销可以使用cvar `r.Shadow.Virtual.ForceOnlyVirtualShadowMaps 1` 完全禁用，在这种情况下，所有不受支持的几何体类型都完全不会投射阴影。
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## 提升非Nanite性能
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除了改进缓存之外，还有许多方法可以提高非Nanite阴影渲染的性能。
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- 在你的项目的几何体中**尽可能多**的部分上**启用Nanite**。
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- Nanite几何体在虚拟阴影贴图中的渲染效率要高得多，无论多边形数量如何，都应该在每个适用的情况下作为首选。
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- Nanite几何体可以遮挡非Nanite几何体并避免虚假缓存失效。因此，唯一的非Nanite对象应该是Nanite本身不支持的对象，例如变形对象（蒙皮网格体），或使用世界位置偏移（WPO）和像素深度偏移（PDO）的材质。
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- **非Nanite对象**应具有**完整的网格体LOD层级设置**。
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- 非Nanite网格体具有LOD设置很重要，否则渲染到小页的开销会非常高。
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- 如果可以，建议在**距离太远**而使效果不明显时切换到**非变形网格体（无WPO/PDO材质）**。
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- CPU剔除控制台变量对于渲染到虚拟阴影贴图的非Nanite网格体仍然有用
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- 使用控制台变量 `r.Shadow.RadiusThreshold`，调整渲染到虚拟阴影贴图中的非Nanite对象的CPU剔除值。这有助于控制远处小型对象的开销。
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- 将[距离场阴影](https://docs.unrealengine.com/5.1/zh-CN/distance-field-soft-shadows-in-unreal-engine)用于非Nanite对象的远距离阴影投射。
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- 对于定向光源，在超出某个范围时通常需要切换到距离场阴影，与级联阴影贴图相同。使用虚拟阴影贴图，仅非Nanite几何体将切换到使用距离场阴影，而Nanite几何体仍采用全细节阴影。
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- 在粗页中禁用非Nanite几何体可以提高性能
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- 在粗页中禁用非Nanite几何体通常可以实现大幅的性能提升，因为非Nanite几何体在渲染到大页中时通常效率低下。
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## 阴影投射
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**阴影投射（Shadow Projection）** 类别是使用阴影贴图光线追踪对阴影贴图取样产生的开销。这些通道位于 **光源（Lights） | DirectLighting | UnbatchedLights** 之下，通常每个相关光源都有一个VSM投射通道。产生最高开销的通道一般都是 **VirtualShadowMapProjection** 中的主SMRT循环。其余的开销应该相对较低。
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# 其他
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## 虚拟现实
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虚拟阴影贴图尚未完全支持虚拟现实。右眼视角可能存在定向光源瑕疵。
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## 分屏
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分屏受到的测试极少，性能可能很差。
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## 物理页池溢出
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使用虚拟阴影贴图，场景中所有光源的所有阴影数据都存储在一个大型纹理池中。默认池大小受 **阴影（Shadow）** 可扩展性设置的影响，但在具有许多使用高分辨率阴影的光源的场景中，可能需要进行调整。
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或者，可能需要在低端硬件上进行调整，以节省显存。
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页池大小可以使用 `r.Shadow.Virtual.MaxPhysicalPages` 进行调整。连续使用 `r.ShaderPrintEnable 1` 和 `r.Shadow.Virtual.ShowStats 2` 启用虚拟阴影贴图统计数据，将显示有关当前页池使用情况的统计数据。
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## 场景捕获
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在一些情况下，场景捕获组件会导致整个虚拟阴影贴图缓存无效化。具体症状体现为 _Invalidations_ 在虚拟阴影贴图数据中变低，但是缓存的页面也变低（甚至会变为0），缓存的页面会全部变成红色。
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发生该情况，试着隐藏或移除场景中的场景捕获Actor来验证它们是否在导致这个问题。
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## 材质
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**仅支持简单的次表面材质**。尚未实现次表面轮廓和传输。如果某个材质正在使用它们，则该材质将被遮蔽，就好像它不透明一样。
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### 阴影分辨率
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与传统阴影贴图相比，虚拟阴影贴图的分辨率显著提升，但浅光源角（或投影锯齿）和非常大的局部光源可能耗尽可用的虚拟分辨率。根据几何体的表面，这可能会呈现为盒状阴影和偏差问题。
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定向光源裁剪图不太容易耗尽分辨率，但非常窄的摄像机视野最终也会耗尽这些分辨率。
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阴影贴图的投影锯齿并没有简单的解决方案。即使使用虚拟阴影贴图，也必须注意避免最坏的情况，并平衡分辨率和性能。
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# 优化案例
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## 场景存在问题
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1. 场景中的很躲静态物体没有启用Nanite，使得VirualShadowMap性能变低。
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2. 远景的天空球（SM_Skybox_Mesh）、雾气面片、近景3个人 投射阴影。
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3. 植被问题。
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## 解决方法
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1.让场景模型启用Nanite。
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可以通过ViewMode - VirualShadowMap - Cache模式来显示缓存失效情况,，以此来找到非Nanaite物体。
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之后使用Show > Visualize > 仅绘制导致VSM失效的几何体（Draw only Geometry Causing VSM Invalidation）来精准查找未开启Nanite的物体。
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2. 关闭远景天空球（SM_Skybox_Mesh）、雾气面片与近景3个人模型的 Cast Shadow选项。尝试启用远景天空球的Nanite选项。
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3. 植被分两种情况：有/无WorldPositionOffset。无的话直接转成Nanite即可。有的话建议去除 Cast Shadow选项，并且勾选Contact Shadow。
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