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VirualShadowMap优化笔记	2023-02-08 12:29:43		VSM Nanite	⭐

前言

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。

相关命令（某个A站作品使用的参数）

VT

• r.VT.MaxUploadsPerFrameInEditor 8
• r.VT.MaxUploadsPerFrame 8
• r.VT.MaxContinuousUpdatesPerFrameInEditor 2
• r.VT.MaxContinuousUpdatesPerFrame 2
• r.VT.MaxAnisotropy 8

Lumen相关命令

• r.MeshDrawCommands.DynamicInstancing 0
• r .Shadow.Virtual.NonNanite.IncludeInCoarsePages 0
• r.Lumen.Reflections.DownsampleFactor 1.98
• r.Lumen.ScreenProbeGather.Temporal.DistanceThreshold 1.7
• r.RayTracing.NormalBias 5.0
• r.Lumen.ScreenProbeGather.MaxRayIntensity 10
• r.Lumen.ScreenProbeGather.ScreenTraces.HZBTraversal 0
• r.Lumen.Reflections.HierachicalScreenTraces.MaxIterations 4

VirualShadowMap

• r.Shadow.RadiusThreshold 0.05
• r.ShadowVirtualClip .LastLevel 15
• r.Shadow.Virtual.ResolutionLodBiasDirectional -1.1
• r.Shadow.Virtual.Clipmap.UseConservativeCulling 0
• r.Shadow.Virtual.Cache.MaxMaterialPositionInvalidationRange 3500
• r.Shadow.Virtual.ForceOnlyVirtualShadowMaps 1
• r.Shadow.Virtual.0.CulingFarCulingFar

其他优化思路

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：​

• r.UseClusteredDeferredShading 1
• r.Shadow.Virtual.OnePassProjection 1

​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。 r.Shadow.Virtual.OnePassProjection.MaxLightsPerPixel

此外，还有一些实践思路供参考，例如： 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）​； ​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； 关闭数量庞大的次要模型的投影；​ ​关闭超远距离的背景物体模型的投影等；

VirualShadowMap使用笔记（浓缩自官方文档）

启用VirualShadowMap之后：

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。
2. 静态烘焙阴影将会失效。
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。
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。
5. 光线追踪阴影的优先级仍然高于VSM

相关命令

• r.Shadow.Virtual.ResolutionLodBiasLocal：调整分辨率。
• r.Shadow.Virtual.NonNanite.IncludeInCoarsePages 0 ：尝试禁止非Nanite对象渲染到CoarsePages。
• 可视化参数
  • 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。
    • mask
    • Mip
    • vpage
    • cache
    • raycount
    • clipmapvirtual
  • ShowFlag.VisualizeVirtualShadowMap：指定可视化模式时，启用虚拟阴影贴图可视化。
  • r.Shadow.Virtual.Visualize.Layout：选择虚拟阴影贴图可视化的布局。
    • 0 表示全屏
    • 1 表示缩略图
    • 2 表示分屏
  • 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。
  • 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。
  • r.Shadow.Virtual.Cache.DrawInvalidatingBounds 1：显示缓存失效边界。
• r.Shadow.Virtual.Cache 0：禁用缓存。

相关可视化

• 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。
• Show > Visualize > 仅绘制导致VSM失效的几何体（Draw only Geometry Causing VSM Invalidation） 
• r.ShaderPrintEnable 1：显示计数器
• r.Shadow.Virtual.ShowStats 1（或2，以仅显示页统计数据）

非Nanite多边形渲染

可变形多边形（SkeletalMesh、WorldPositionOffset、PixelDepthOffset）都会使VirtualShadowCache 失效。

在某些情况下，例如草，有时是植被，仅使用接触阴影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：

• 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。
• 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。
• 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。

对于定向光源，还有其他可用选项：

• 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。
• 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。

Shadow Map Ray Tracing(阴影贴图光线追踪)

一种渲染软阴影的方式。可通过以下命令来设置采样数值：

• r.Shadow.Virtual.SMRT.RayCountLocal ：每个像素采样光线数量。
• r.Shadow.Virtual.SMRT.RayCountDirectional：每个像素采样光线数量。
• r.Shadow.Virtual.SMRT.SamplesPerRayLocal​：每个像素受到VSM的光线追踪影响的数量。
• r.Shadow.Virtual.SMRT.SamplesPerRayDirectional：每个像素受到VSM的光线追踪影响的数量。
• r.Shadow.Virtual.SMRT.MaxRayAngleFromLight：通过降低半影的精度来优化性能。
• r.Shadow.Virtual.SMRT.RayLengthScaleDirectional：通过降低半影的精度来优化性能。

## GPU分析和优化

• 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。
• 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。
• 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。

提升非Nanite性能

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。

• 在你的项目的几何体中尽可能多的部分上启用Nanite。
  • 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。
  • 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。
• 非Nanite对象应具有完整的网格体LOD层级设置。
  • 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。
  • 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）。
• 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
  • 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。
• 将距离场阴影用于非Nanite对象的远距离阴影投射。
  • 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。
• 在粗页中禁用非Nanite几何体可以提高性能
  • 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。

阴影投射

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。

其他

虚拟现实

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。

分屏

分屏受到的测试极少，性能可能很差。

物理页池溢出

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。

或者，可能需要在低端硬件上进行调整，以节省显存。

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。

场景捕获

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。

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。

材质

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。

阴影分辨率

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。 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。

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。

优化案例

场景存在问题

1. 场景中的很躲静态物体没有启用Nanite，使得VirualShadowMap性能变低。 2. 远景的天空球（SM_Skybox_Mesh）、雾气面片、近景3个人 投射阴影。 3. 植被问题。

解决方法

1.让场景模型启用Nanite。

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。

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。

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。 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。