UE5 移动端 HZB Occlusion Culling

概述

在 UE5 移动端渲染管线中启用 HZB（Hierarchical Z-Buffer）遮挡剔除，替代传统的 OcclusionFeedback / GPU Query 方案。

  • 适用平台: Android (Vulkan / GLES ES 3.1)、iOS (Metal)
  • 预期收益: 遮挡率高场景 GPU 耗时降低 10-25%，Draw Call 减少 15-30%
  • 延迟: 1 帧（与桌面端一致）
  • 改动范围: 9 个文件，~500 行净增

如何开启

编辑器预览

  1. 编译编辑器后启动
  2. 视口工具栏 → Settings → Preview Rendering Level → 选择 Android Vulkan 或 Android OpenGL
  3. 控制台输入：
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r.HZBOcclusion 1          # 开启 HZB Occlusion
r.HZBOcclusion 0          # 关闭（回退到 OcclusionFeedback）
r.HZBOcclusion 2          # 强制模式（忽略所有平台检查）

r.VisualizeOccludedPrimitives 1  # 可视化被剔除物体（绿色线框）
stat rhi                         # 对比 Draw Call 数量
stat gpu                         # 对比 GPU 各 Pass 耗时

真机部署

已通过配置文件默认开启：

文件 配置
Engine/Config/Android/AndroidEngine.ini r.HZBOcclusion=1
Engine/Config/IOS/BaseIOSEngine.ini r.HZBOcclusion=1
Engine/Config/BaseDeviceProfiles.ini Android 基类: r.HZB.BuildUseCompute=0
Android_High: r.HZB.BuildUseCompute=1（覆盖为 compute shader）
Android_Preview_Vulkan_SM5: r.HZB.BuildUseCompute=1

注意：AndroidEngine.ini 在编辑器预览模式下不会加载。编辑器预览通过 C++ 默认值 (GHZBOcclusion=1) 生效。

改动清单

核心修改

# 文件 改动
1 SceneVisibility.cpp GHZBOcclusion 默认值改为 1
2 SceneVisibility.cpp !IsOpenGLPlatform() || IsMobilePlatform() 放行移动端 GLES
3 SceneVisibility.cpp bUseOcclusionFeedback 增加 && !bHZBOcclusion，HZB 优先
4 MobileShadingRenderer.cpp ShouldRenderHZB() 增加 r.HZBOcclusion 检查
5 MobileShadingRenderer.cpp 新增 SubmitHZBOcclusionTests()，在 4 处 RenderHZB() 后调用
6 MobileShadingRenderer.cpp 6 处 GPU Query 路径增加 !IsHZBOcclusionEnabled() 互斥
7 SceneOcclusion.cpp FHZBTestPS::ShouldCompilePermutation 放宽到 IsMobilePlatform
8 SceneOcclusion.cpp InitRHI / ReleaseRHI 阈值从 SM5 → ES3_1
9 SceneOcclusion.cpp Bounds 纹理去掉 TexCreate_RenderTargetable（ES3.1 兼容）
10 SceneRendering.h SubmitHZBOcclusionTests 函数声明 + 类成员
11 SceneTextureReductions.cpp HZBBuildUseCompute() 增加 FeatureLevel 自动检测

非阻塞 Readback 优化

# 文件 改动
12 SceneRendering.h FHZBOcclusionTester 新增 4 槽环形缓存 + bLockCalled
13 SceneOcclusion.cpp MapResults() 改为 IsReady() 预检 + 环形缓存回退
14 SceneOcclusion.cpp UnmapResults() 增加 bLockCalled 保护
15 MetalRenderTarget.cpp Metal RHI RHIMapStagingSurface 非阻塞优化

架构设计

完整帧流程

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Frame N:
  InitViews:
    ┌─ Visibility ─────────────────────────────────────────┐
    │  OcclusionFrameCounter++                             │
    │  FGPUOcclusion::Configure() → bHZBOcclusion=true     │
    │  MapResults() → IsReady()? → Lock() 或 环形缓存      │
    │  OcclusionCullPrimitive:                             │
    │    IsValidFrame(LastTestFrameNumber)?                │
    │      → IsVisible(HZBTestIndex)  ← 读回结果           │
    │      → AddBounds()              ← 收集新测试         │
    │  UnmapResults() → Unlock() → SetValidFrameNumber(N) │
    └──────────────────────────────────────────────────────┘
  Render:
    ┌─ Main RenderPass (Subpass 0→1→2) ───────────────────┐
    │  BasePass → Decals → Lighting → Fog → Translucency  │
    └──────────────────────────────────────────────────────┘
    ┌─ Post Passes ───────────────────────────────────────┐
    │  ResolveDepth                                        │
    │  BuildHZB (HZB 深度金字塔)                            │
    │  SubmitHZBOcclusionTests:                            │
    │    UpdateTextures (bounds 上传)                       │
    │    TestHZB (256×256 pixel shader)                    │
    │    EnqueueCopy (GPU→CPU readback)                    │
    │  SSAO / Bloom / Tonemap / FXAA                      │
    └──────────────────────────────────────────────────────┘

关键 CVars

CVar 默认 说明
r.HZBOcclusion 1 (原 0) 0=GPU Query, 1=HZB, 2=强制 HZB
r.HZB.BuildUseCompute 1 0=pixel shader, 1=compute shader
r.OcclusionFeedback.Enable 1 移动端 OcclusionFeedback 系统

HZB 构建模式

预览模式 FeatureLevel HZB 构建
Android OpenGL/Vulkan Low/Mid ES3.1 pixel shader (DownsampleHZB, 8 pass)
Android Vulkan High ES3.1 pixel shader (继承基类)
Android VK SM5 SM5 compute shader (ReduceHZB, 2 pass)
iOS Metal compute shader

非阻塞 Readback 设计

问题

FHZBOcclusionTester::MapResults() 调用 FRHIGPUTextureReadback::Lock() 时，如果 GPU 未完成写入，会阻塞 RenderThread 等待。

方案

利用 FRHIGPUMemoryReadback::IsReady() 进行非阻塞轮询：

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// IsReady() 底层实现:
// OpenGL ES:  glClientWaitSync(sync, 0, 0)  // 零超时，立即返回
// Vulkan:     vkGetFenceStatus(fence)        // 非阻塞
// Metal:      MTLSharedEvent 轮询
// D3D12:      Fence::Poll()

Lock() 行为（IsReady()=true 时调用）：

RHI Lock() 是否阻塞
OpenGL ES ImmediateFlush（RHI 命令刷新，不等 GPU）
Vulkan GetMappedPointer() 立即返回
Metal 改前：SubmitAndBlockUntilGPUIdle() 无条件阻塞；改后：Fence 已 signal 时跳过，直接 Lock Surface
D3D12 Fence::Wait + Map，Fence 已 signal 时 Wait 不阻塞

Metal 改动（MetalRenderTarget.cpp）：

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// 改前: 无条件阻塞
RHICmdList.SubmitAndBlockUntilGPUIdle();

// 改后: Fence 已 ready 时跳过
const bool bFenceReady = (FenceRHI != nullptr) && FenceRHI->Poll();
if (!bFenceReady) { SubmitAndBlockUntilGPUIdle(); }
  • GPU 就绪 → Lock() 读回（非阻塞） → 写入环形缓存 → 1 帧延迟
  • GPU 未就绪 → 从环形缓存取最近有效结果 → 2~4 帧延迟但不阻塞

环形缓存

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static constexpr int32 MaxCachedResults = 4;
FCachedResult CachedResults[4];  // { TArray<uint8> Buffer, uint32 FrameNumber }

IsValidFrame(PrimitiveOcclusionHistory->LastTestFrameNumber) 确保只有被缓存帧测试过的 primitive 才会用缓存结果，防止 index 映射错误。

验证方法

编辑器内

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# 1. 确认 HZB 已启用
r.HZBOcclusion          # 应返回 1

# 2. 可视化被剔除物体
r.VisualizeOccludedPrimitives 1

# 3. 性能对比
r.HZBOcclusion 0        # 关闭
stat rhi                # 记 Draw Call 数
r.HZBOcclusion 1        # 开启
stat rhi                # 对比

RenderDoc 抓帧

在 Event Browser 搜索关键字：

Pass 名称 含义
HZB HZB 构建 group
BuildHZB(ViewId=0) HZB 金字塔逐 mip 构建
DownsampleHZB(mip=N) pixel shader mip 降采样
ReduceHZB(mips=[N;M]) compute shader 批处理 mip
SubmitHZB HZB 遮挡测试提交
UpdateTextures bounds 数据 CPU→GPU
TestHZB FHZBTestPS 全屏测试 pass

真机

  1. 打包到 Android/iOS 设备
  2. RenderDoc 无线抓帧
  3. ARM Streamline / Snapdragon Profiler 分析 GPU 耗时
  4. stat unit + stat gpu 对比

平台兼容性

平台 ShaderPlatform HZB Culling HZB 构建
Android GLES ES 3.1 OPENGL_ES3_1_ANDROID ✅ pixel shader
Android Vulkan ES 3.1 VULKAN_ES3_1_ANDROID ✅ pixel shader
Android Vulkan SM5 VULKAN_SM5_ANDROID ✅ compute shader
iOS Metal ES 3.1 METAL_ES3_1_IOS ✅ pixel shader
iOS Metal SM5+ METAL_SM5_IOS / METAL_SM6_IOS ✅ compute shader
Desktop OpenGL — ❌ 保持禁用 —

已知问题 & 注意事项

  1. 首帧无遮挡: 环形缓存为空时回退到 FirstFrameBuffer（全可见），首帧不剔除。
  2. OpenGL ES readback: ImmediateFlush + glMapBufferRange 在 GLES 上有固有开销，通过 IsReady() 预检 + 环形缓存缓解。
  3. Index 映射: 每帧 primitive→index 映射会变，通过 IsValidFrame(FrameNumber) 确保只有匹配帧的 primitive 使用缓存。
  4. Vulkan ES 3.1: 编辑器预览中 PF_A32B32G32R32F 格式通过去掉 TexCreate_RenderTargetable 兼容。