图形 4.2 SSAO算法 屏幕空间环境光遮蔽_u3d ssao

链接: SSAO算法 屏幕空间环境光遮蔽思维导图.

SSAO介绍

什么是AO

链接: Unity Shader-Ambient Occlusion环境光遮蔽- puppet_master.
《尼尔·机械纪元》中一个关卡–复制之街

环境光遮蔽（AO），全称Ambient Occlusion,是计算机图形学中一种着色和渲染技术，模拟光线达到物体的能力的粗略的全局方法，描述光线到达物体表面的能力。
这个场景看起来没有表示颜色的贴图，但是场景的阴影效果和AO效果还是存在的，这让场景的层次细节在即使没有颜色的情况下也可以展现出来，形成了一种特殊的风格。
环境光遮蔽对效果的提升有多重要，看一下顽皮狗在《Uncharted 2: HDR Lighting》的一个对比图，可以看到，左侧的车底遮挡了大部分光线，形成了阴影看起来很自然，而右侧的车感觉就像飘在上面一样，看起来比较假：

图片来自Wiki. 因为老人的皱纹处对外界暴露的部分较少, 使用AO后被遮蔽的部分较多, 渲染后显得更加暗一些, 增加了皱纹的层次感和质感.

AO的计算公式如下:

由此可见, 计算AO系数是一个颇为昂贵的操作. 一般离线渲染器都会采用Ray-Tracing(光线追踪)或是简化的Ray-Marching(所谓光线行进)算法, 模拟若干条射线以计算遮蔽百分比. 很明显这种方式不可能应用到实时图形渲染中. 尽管目前有一些实时计算AO的新技术, 但是其性能距离普及还有很长的路要走.

那么有没有办法用差一点的渲染结果来获得更高的运行效率呢? 答案是肯定的, 而且方法还远不止一种. 本文将重点放在SSAO上.

SSAO原理详解

SSAO介绍

SSAO：屏幕空间环境光遮蔽，全称Screen Space Ambient Occlusion,一种用于计算机图形中实时实现近似环境光遮蔽效果的渲染技术。它不是场景的预处理，而是一种屏幕后处理技术，通过在屏幕像素的位置布置随机个采样点，然后通过采样点遮蔽项所占的百分比来计算阴影遮蔽强度。
最早在2007年，Crytek公司发布了一款叫做屏幕空间环境光遮蔽(Screen-Space Ambient Occlusion, SSAO)的技术，并用在了他们的看家作孤岛危机上。

SSAO原理

链接: 游戏后期特效第四发 – 屏幕空间环境光遮蔽(SSAO) - 音速键盘猫.

SSAO的实现可分为三个步骤: 计算近似AO, 优化：模糊/滤波, 与Color Buffer混合.

计算近似AO

计算AO的核心问题在于如何取采样点并判断这些采样点是否被遮蔽.

我们首先解决第一个问题.

在此我们使用一种指向法线方向的半球形采样块(Sample Kernel), 并在采样块中生成采样点. 距离原点越远的点, AO贡献越小. 采样块如下图所示:

那么我们转入第二个问题: 如何判断下图中的采样点遮蔽情况呢?

(涂黑的点处在几何体表面内部, 因此判定为被遮蔽)

一种方法是将采样点¹全部投影到View Plane（视平面）上

相当于获取采样点的视平面中UV坐标, 并同时获取²Depth Buffer（深度缓冲）中该UV坐标处的深度值.

随后比较采样点的深度和场景中该点的深度. 如果采样点的深度更大, 说明其被场景遮蔽. 最终将所有采样点根据AO贡献求和, 即是该点的AO值. 计算公式如下:

其中, 函数V前面已经介绍过. 函数D是一个[0, 1]之间的单调递减函数, 距离原点越近的采样点对AO的贡献越大. 一般使用采样点数量的指数函数作为插值计算变量。

SSAO算法实现

比较与分析

拓展链接

其他AO算法

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1. 采样点根据离点p的距离随机生成 ↩︎

2. Unity的前向渲染中，深度缓冲与屏幕法线需要重新计算，延迟渲染中，深度缓冲与屏幕法线可以分别从DepthTexture与G-Buffer获取 ↩︎