[工作积累] UE4 TAA ReProjection的精度处理
先贴一个UE4 TAA的slide
https://de45xmedrsdbp.cloudfront.net/Resources/files/TemporalAA_small-59732822.pdf
里面细节问题很多，先记录一下目前想到和遇到的问题，便于备忘，后面有空的话再记录。
TAA用到的Velocity和抖动对精度要求比较高， 特别是大场景下误差容易比较大，UE4做了一系列的处理来保持精度。
投影矩阵的精度
1 static const FMatrix InvertProjectionMatrix( const FMatrix& M ) 2 { 3 if( M.M[1][0] == 0.0f && 4 M.M[3][0] == 0.0f && 5 M.M[0][1] == 0.0f && 6 M.M[3][1] == 0.0f && 7 M.M[0][2] == 0.0f && 8 M.M[1][2] == 0.0f && 9 M.M[0][3] == 0.0f && 10 M.M[1][3] == 0.0f && 11 M.M[2][3] == 1.0f && 12 M.M[3][3] == 0.0f ) 13 { 14 // Solve the common case directly with very high precision. 15 /* 16 M = 17 | a | 0 | 0 | 0 | 18 | 0 | b | 0 | 0 | 19 | s | t | c | 1 | 20 | 0 | 0 | d | 0 | 21 */ 22 23 double a = M.M[0][0]; 24 double b = M.M[1][1]; 25 double c = M.M[2][2]; 26 double d = M.M[3][2]; 27 double s = M.M[2][0]; 28 double t = M.M[2][1]; 29 30 return FMatrix( 31 FPlane( 1.0 / a, 0.0f, 0.0f, 0.0f ), 32 FPlane( 0.0f, 1.0 / b, 0.0f, 0.0f ), 33 FPlane( 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0 / d ), 34 FPlane( -s/a, -t/b, 1.0f, -c/d ) 35 ); 36 } 37 else 38 { 39 return M.Inverse(); 40 } 41 }
可以看到对投影矩阵的取反做了特殊处理，来提高浮点计算精度。
视图矩阵的精度
1 FVector DeltaTranslation = InPrevViewMatrices.GetPreViewTranslation() - InViewMatrices.GetPreViewTranslation(); 2 FMatrix InvViewProj = InViewMatrices.ComputeInvProjectionNoAAMatrix() * InViewMatrices.GetTranslatedViewMatrix().GetTransposed(); 3 FMatrix PrevViewProj = FTranslationMatrix(DeltaTranslation) * InPrevViewMatrices.GetTranslatedViewMatrix() * InPrevViewMatrices.ComputeProjectionNoAAMatrix(); 4 5 ViewUniformShaderParameters.ClipToPrevClip = InvViewProj * PrevViewProj;
将视图矩阵的位移和旋转拆开来（T*R），以避免大地图上，相机位置过大造成的误差。
Reprojection是把当前帧Clip space或NDC space的点重新投影到上一帧的位置
Reprojection = (V*P)-1 * (PrevV*PrevP)
= P-1 * V-1 * PrevV * PrevP
其中V为视图矩阵，P为投影矩阵。
而UE4的视图矩阵实际使用TR的方式 （类似变换矩阵的TRS和RTS的顺序，区别是试图矩阵没有缩放， https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/framework/winforms/advanced/why-transformation-order-is-significant
注意如果是相同的T和R， T*R和R*T结果是不一样的，这里的TR，是在ViewMatrix结果一样的前提上，拆解出的另外两个矩阵，从几何分析的角度也可以得出）
Reprojection = P-1 * (T*R)-1 * (PrevT*PrevR) * prevP
= P-1 * R-1 * T-1 * PrevT * PrevR * PrevP
= P-1 * R-1 * (T-1 * PrevT) * PrevR * PrevP
其中:
Reprojection是UE4代码里的ViewUniformShaderParameters.ClipToPrevClip，
R是ViewMatrix的旋转部分（UE4代码中的GetTranslatedViewMatrix），
T是ViewMatrix的位移部分，
T-1*PrevT 就是UE4代码中的 FTranslationMatrix(DeltaTranslation) 。
这样做的好处是，把两个绝对位置转换为一个相对位移， 从而避免绝对位置过大而导致的矩阵Inverse的精度问题。
同时，视图矩阵的旋转部分 R 是正交矩阵，所以Transpose等价于Inverse，这样不仅是效率的提高，更重要的是避免了Inverse导致的浮点误差。
VelocityBuffer的精度
1 // for velocity rendering, motionblur and temporal AA 2 // velocity needs to support -2..2 screen space range for x and y 3 // texture is 16bit 0..1 range per channel 4 float2 EncodeVelocityToTexture(float2 In) 5 { 6 // 0.499f is a value smaller than 0.5f to avoid using the full range to use the clear color (0,0) as special value 7 // 0.5f to allow for a range of -2..2 instead of -1..1 for really fast motions for temporal AA 8 return In * (0.499f * 0.5f) + 32767.0f / 65535.0f; 9 } 10 // see EncodeVelocityToTexture() 11 float2 DecodeVelocityFromTexture(float2 In) 12 { 13 const float InvDiv = 1.0f / (0.499f * 0.5f); 14 // reference 15 // return (In - 32767.0f / 65535.0f ) / (0.499f * 0.5f); 16 // MAD layout to help compiler 17 return In * InvDiv - 32767.0f / 65535.0f * InvDiv; 18 }
VelocityBuffer在TAA里用来reproject移动的物体，包括蒙皮动画和位移旋转动画等。
为了提高精度，VelocityBuffer可以使用Float32。Unity使用的是Float16x2 (R16G16F)， 不同的是，UE4使用的是INT16x2 (R16G16_INT)。
对于Float16，最小精度是2-10。 如果映射到Int16，去掉等价的符号位，精度是2-15。 这样在占用同样显存大小的情况下，提高了精度。
