【技术精讲】FSR2.1 UE插件升级

Baste · 发表于 2022-11-12 07:20

发布FSR 2.1的同时，我们也升级了FSR 2 UE插件，不仅全面优化了插件，还在其中包含了两个可以提高视觉保真度的补丁。这篇博文将着重讨论这些补丁重点解决的问题，以及开发者如何将其用于自己的项目中。
第一部分 改善树叶渲染效果
在Unreal Engine中，制作树叶动画最常见的一种方法就是利用一个材质中的World Position Offset来将轻微的动画添加到几何物体中，无需依靠完整的动画和Skeletal Mesh渲染。这样就会把每一个顶点直接做成动画，只要物体本身不移动，就默认不会产生任何的运动矢量。
就FSR 2这样的图像放大工具而言，这一做法可能会产生次优的放大结果，因为算法不能解释树叶的运动，会导致历史样本加权不正确而产生重影。FSR 2插件能够启用控制台变量r.VertexDeformationOutputsVelocity (<= 4.27) 或者r.Velocity.EnableVertexDeformation (>= 5.0) ，只要使用材质材质的对象具备“Stationary”或“Movable”移动性，就能够强制这些材质材质写入运动矢量。
由于开发者并不打算移动那些移动性被设置为“Static”的对象或将其制作成动画，所以Unreal Engine有所优化，不会计算这些对象的运动矢量。
这一问题对于Unreal Engine中的默认图像放大工具来说并不明显，因为其算法正是用来处理WPO提供的细微运动。不过，FSR 2对游戏提供的运动矢量的状态呈现和保真度更为敏感。
因此，有必要：

更改项目以启用r.BasePassOutputsVelocity引擎设置。
或者更改编辑器中的对象移动性以及修改材质以强制生成运动矢量。

启用r.BasePassOutputsVelocity 力量速度生成，使其发生在base pass而非单独的pass中，FSR 2插件启用r.BasePassForceOutputsVelocity ，确保所有对象都渲染速度，来避免以上问题。不论这些对象是否使用WPO材质，以上做法确实增加了所有对象的GPU工作量。
为了更容易实现最佳效果，现在的FSR 2插件包含了可以修改引擎的ImproveStaticWPO.补丁，使引擎可以不考虑对象的移动性设置，自动为使用WPO材质的所有对象生成运动矢量。
示例
以“一个男孩和他的风筝”为例，Unreal Engine 4.2中的画面是这样的：
TAAU

FSR 2.0.1

接近1:1像素视图（截图为jpeg文件，会产生压缩）:
TAAU

FSR 2.0.1

默认使用FSR 2时，距离镜头最近的草地呈模糊状态。
FSR 2插件已经启用了控制台变量r.VertexDeformationOutputsVelocity (<= 4.27)或者r.Velocity.EnableVertexDeformation (>= 5.0) 来强制WPO材质渲染速度，但是可视化速度数据表明这些对象并没有渲染速度。
未安装补丁的UE4 4.27速度数据：
速度数据

FSR 2.0.1

在Base-Pass中输出速度方面的改进
该项目中默认启用r.BasePassOutputsVelocity 设置，即在base-pass阶段写入速度数据。这会稍微改变引擎行为，并允许FSR 2.1插件也启用r.BasePassForceOutputsVelocity 设置，然后为屏幕上的所有对象产生速度数据，确保FSR 2具有所需的运动矢量。

未安装补丁的UE4 4.27 FSR2.1 - 速度插图
已经启用r.BasePassOutputsVelocity 的项目会默认这种行为，默认确保最佳质量。不过，这确实增加了所需的GPU工作量，因为所有对象都在产生速度数据，无论是不是必要。
尚未启用r.BasePassOutputsVelocity 但使用大量World-Position-Offset材质的项目应该考虑启用此设置并对其进行剖析，因为在许多情况下，这样设置不需要损耗大量资源就能充分发挥作用。
这是使用二进制版本的编辑器时最简单的做法。
通过修改内容进行提升
我们也可以通过修改内容来解决其中一些问题，而不是依靠r.BasePassOutputsVelocity 或是源代码补丁。使用二进制版本的编辑器时，修改内容是提高质量的唯一替代方案，因为补丁需要修改Unreal Engine代码。
针对不同的项目和涉及的资源类型可以进行多样的修改。还是以“一个男孩和他的风筝”为例，为了确保尽可能多的树叶生成运动矢量，可以采用几个操作来修改项目和内容。
项目设置
要想使内容修改有效，就必须修改项目设置。使用r.BasePassOutputsVelocity 却不启用或者不允许FSR 2.1启用r.BasePassForceOutputsVelocity 可能会导致运动矢量丢失，即使所有对象都被设置为“Stationary”或“Movable”，所以如果需要为少量的对象渲染速度，就必须首先修改项目设置。
若要禁用此设置，请打开Project Settings > Engine > Rendering > Optimisations，并禁用“Output velocities during base pass”。

地形草层
该demo使用在地形材质中采样的草层，在运行时利用Unreal Engine代码中的“Static”移动性设置创建Hierarchical Instanced Static Mesh组件。FSR 2.1插件的设置中有一个新的选项，可以强制这些组件在运行时的移动性为“Stationary”。
要启用此设置，打开Project Settings>Plugins>FidelityFX Super Resolution2.0，然后选择“All Instances”或“Instances with World-Position-Offset”。前者CPU端开销更低，后者可能占用更多的CPU时间，但GPU端牺牲较小。

启用此设置可确保在起始场景中最靠近镜头的大部分草地渲染速度，这对视觉结果有显著影响。不过，由于部分对象没有作为草层的一部分进行渲染，速度数据上仍然存在一些差异，需要进行额外的工作。
Velocity

Scene

静态网格
在后面的demo中，仍然有些树没有渲染速度，许多树是规则的静态网格。

编辑时，可以在编辑器视图中选择视窗中的选项来使用FSR 2:

将这些网格改为“Stationary”会强制它们在FSR 2中呈现最佳渲染所需的速度，但仍有许多网格没有渲染速度。

植被
这些是Instanced Foliage Actor的一部分，需要修改用于在植被系统中生成它们的蓝图。将编辑器切换到植被模式就会显示当前层所使用的蓝图和静态网格。

打开这些蓝图并将移动性从Static更改为Stationary，保存蓝图，该层将开始渲染速度。

我们也可以打开Procedural Foliage System，上面有更多生成森林的蓝图。

这些蓝图界定了树叶系统如何在森林中生成Instanced Static Meshes，要让树叶产生速度，就需要改变每个蓝图的移动性。

抖动LOD过渡
当r.BasePassOutputsVelocity被禁用时，可以选择在使用World-Position-Offset的材质上启用抖动LOD过渡选项。在这种情况下，引擎会在LOD过渡的边界处使用两个LOD之间的抖动模式来渲染base pass，这能够减少LOD级别之间的“震感”。
当r.BasePassOutputsVelocity被禁用时，速度将以单独的pass呈现，这可能会导致速度和抖动的base pass之间的不匹配，从而混淆FSR 2升级算法。下面的屏幕截图就是一个示例：

要解决这一问题，需要启用r.BasePassOutputsVelocity或禁用相关材料中的抖动LOD过渡，如下所示：

材质实例
当使用UE4 4.27及更早版本的材质实例时，有必要反复检查材质系统是否正确导出了使用World-Position-Offset的材质。使用Unreal Engine5则不必这么做。
当使用默认值为0的Material Instance Parameter来控制是否在材质中使用World-Position-Offset时，会出现这一问题，因为系统会根据材质的默认输入而非材质实例来评估是否使用WPO。

带实例参数的材质图

启用WPO的材质实例
材质默认输入将“Animate”的值设置为false，而材质实例将“Animate”设置为true，使用材质实例的对象虽然被做成了动画，但并不渲染速度。

简单地将默认值改为true意味着允许材质系统假定使用了WPO并渲染速度。

结果
一旦所有的内容都进行了适当修改，结果中的重影就会减少，但是CPU和GPU的行为会发生变化。

将对象设置为Stationary而不是Static可能会让CPU和GPU的开销更高一点，因为边界更新、写入速度输出的对象数量会有所增加
在静态光的照射下，物体的亮度也可能发生微妙的变化，因为静态光的移动性由Static变为了Stationary。

更改这些内容时，最好只更改重影明显的部分，尽可能多地保留Static以减少行为上的变化。
应用补丁
对于从源代码构建补丁的开发者，可以通过以下步骤应用补丁:
Git
在支持GIT的终端中：

下载FSR 2插件并解压缩。
克隆Unreal Engine存储库：

git 克隆 <repo-url>，其中<repo-url>应该替换为源存储库的URL。

导航到Unreal Engine的根目录：

cd UnrealEngine

检出需要应用补丁的Unreal Engine版本：

git checkout <version>，其中<version>应替换为4.26、4.27或5.0等版本号。

将合适的FSR 2插件版本安装到Engine/Plugins/Runtime/AMD。
使用Git应用补丁:

git am <path/to/patch>，将<path/to/patch>替换为适用于该引擎版本的ImproveStaticWPO.补丁文件路径。

构建引擎并检查补丁功能是否无误。
将该变动设置为上游：

推送到远程库

其他SCMs

下载FSR 2插件并解压。
从SCM中克隆Unreal Engine，并根据需要设置正确的Unreal Engine版本。
将对应的FSR2插件版本安装到Engine/Plugins/Runtime/AMD目录。
导航到Unreal Engine根目录：

cd UnrealEngine

使用“patch”命令行工具修补文件：

用适用于引擎版本的patch -p1 < <path/to/patch> 来替换ImproveStaticWPO.patch文件路径中的 <path/to/patch>

构建引擎并检查补丁功能是否无误。
提交到SCM。

补丁结果
在禁用r.BasePassOutputsVelocity 的前提下，应用该补丁可以更改引擎行为，从而为使用WPO材质的对象渲染速度，即使这些对象被确定为Static。与内容更改一样，启用此选项可能导致一些静态网格生不生成运动矢量。现在允许所有WPO材质为FSR 2生成运动矢量。补丁并没有改变组件的移动性，所以行为上唯一的变化就是增加了渲染速度，这会增加CPU和GPU的开销。与更改内容的移动性设置不同，补丁不会更改受影响对象的行为或渲染效果。

有了运动矢量，FSR 2图像放大算法让靠近镜头的草地产生了更好的效果。
下图为4K截图缩小到1600像素宽，以供比较。
UE 4.27 FSR 2.0.1

安装了补丁的 UE 4.27 FSR 2.1

下图：4K截图1:1像素对比。
UE4.27 FSR 2.0.1

安装了补丁的 UE 4.27 FSR 2.1

<hr/>第二部分 使材质具有反应性
FSR 2.1插件的另一个升级之处是增加了一个选项，使特定的shading模型写入reactive mask。这在材质动画中很有用，可能会让图像放大工具产生次优结果，因为移动像素不存在运动矢量。
当动画材质被精细的网格或格栅遮挡时，这一点尤其明显，因为这会让没有运动矢量的算法无法准确识别正在运动的内容。
示例
下面是 ShooterGame 示例的修改版本，其中一个网格放置在一些动画广告牌前面，这些广告牌被修改为垂直滚动而不是水平滚动模式，使用Default Lit Shading模型并渲染为不透明。这使我们能更容易地看到 FSR 2 相对于默认图像放大工具可能发生的重影。
TAAU

FSR 2.0.1

下图：1:1大小的4K截屏像素比较。
TAAU

FSR 2.0.1

解决方案
现在的 FSR 2.1 提供了一些选项，可以通过将诸如此类的动画材质写入减少重影的reactivity mask来缓解此问题。
最简单的方法是将 Material shading-model 设置为仍然可以渲染但不在场景中以其他方式使用的模型。对于这种情况，Subsurface Profile没有其他用途，因此可以应用在材质上。

一旦为材质选中shading模型，就在 Project Settings > Plugins > FidelityFX Super Resolution 2.1 的“Reactive Shading Model”下拉菜单中选择所选的shading模型，以便将其写入reactive mask并设置“Force value for Reactive Shading Model”。

启用这些设置后，广告牌材质在创建reactive mask的FSR 2 pass中被识别，“Force value for Reactive Shading Model”的值被写入reactive mask。
下面是UE 4.27的比较截图，上图显示了FSR 2.1的默认值，下图显示了“Reactive Shading Model”和“Reactive Shading Model的强制值”。
FSR 2.1 default

上述内容启用后

下图为上面4K截图的1:1像素比较。
FSR 2.1 default

上述内容启用后

从比较结果可以看出，广告牌不再沿运动轴出现重影，并且始终保持清晰。
在下面使用UE 4.27的截图比较中，上面的“Reactive Shading Model强制值”设置为0，下面的设置为1。
Value = 0

Value = 1

附加Shading模型补丁
对于无法以这种方式重新调整shading模型用途的项目，现在有一个可选的引擎补丁文件 LitReactiveShadingModel.patch，随 FSR 2 插件一起提供，该插件添加了一个新的“Lit Reactive”shading模型。这种新的shading模型与“Default Lit”的操作相同，不过该模型还允许开发者将值写入CustomData0.x通道，然后将由 FSR 2 插件中的 CreateReactiveMask pass传递使用。
应用补丁
从源代码构建的开发者可以使用以下步骤应用补丁。
Git
在支持GIT的终端中：

下载FSR 2插件并解压缩。
克隆Unreal Engine存储库：

git克隆<repro-url> git 克隆 <repo-url>，其中<repo-url>应该替换为源存储库的URL）

导航到Unreal Engine的根目录：

cd UnrealEngine

检出需要应用补丁的Unreal Engine版本：

git checkout <version>，其中<version>应替换为4.26、4.27、5.0等版本号。

将合适的FSR 2插件版本安装到Engine/Plugins/Runtime/AMD。
使用Git应用补丁:

将<path/to/patch>替换为适用于该引擎版本的LitReactiveShadingModel.补丁文件路径git am <path/to/patch>。

构建引擎并检查补丁功能是否无误。
将该变动设置为上游：

推送到远程库

其他SCMs

下载FSR 2插件并解压缩。
从SCM中克隆Unreal Engine，并根据需要设置正确的Unreal Engine版本。
将合适的FSR 2插件版本安装到Engine/Plugins/Runtime/AMD。
导航到Unreal Engine的根目录：

cd UnrealEngine

使用“patch”命令行工具修补文件：

将<path/to/patch>替换为适用于该引擎版本的LitReactiveShadingModel.补丁文件路径patch -p1 < <path/to/patch>。

构建引擎并检查补丁功能是否无误。
提交到SCM。

使用补丁
一旦应用并重建引擎，就可以在材质编辑器中选择“Lit Reactive”shading模型：

选择后，可以将值传递给Custom Data 0输出：

然后还需要在 FSR 2 设置中选择“Lit Reactive”作为“Reactive Shading Model”，并通过将其设置为0.0来禁用“Force value for Reactive Shading Model”。

在FSR 2设置中选择Lit Reactive作为Reactive Shading Model

禁用Reactive Shading Model的强制值，将其设置为0
在该配置中，只有使用新shading模型的特定资源将写入reactive mask并写入材质图中指定的值，同时仍提供识别区域改进的动画材质渲染。
Lit Reactive Off

Lit Reactive On
下图为上面4K截图的1:1像素对比。
Lit Reactive Off

Lit Reactive On

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