Unity Shader-Ambient Occlusion环境光遮蔽（AO贴图，GPU AO贴图烘焙，SSAO，HBAO）_厚度图 烘焙

前言

十一放假很开心，正好赶上观望了了许久的《尼尔·机械纪元》打折啦。窝在家里搞了三天三夜，终于E结局通关啦！！！真的好久没玩过这么好玩的游戏了，于是乎我的废话应该会多不少，毕竟，写blog的另一个目的就是记录玩过的好玩的游戏，2333。

最开始听说这个游戏的时候，只是被2B小姐姐的人设吸引了，毕竟小姐姐还是很漂亮的。而且游戏类型也是我喜欢的类型，看起来打击感还不错，加上最近打《地铁》和《消失的光芒》玩出3D眩晕症了，就差嗑两片晕车药再打了，正好搞一个动作型的游戏换换口味。

玩起来我才发现游戏的音乐太好听啦，最近简直每天在循环停不下来，场景也是体积光，SSAO之类的高级效果大量使用。

但是游戏通关之后，我才发现游戏的故事本身就很让人深思，加上丰富的支线剧情。我不敢说玩的游戏很多，但是的确实本人最近玩过的画面，音乐，战斗，剧情都很给力的一款游戏了。

好在三周目打完之后，加上读档几次，终于打出了E结局，还算比较完美。然而游戏竟然有26个结局，等到重温时争取都打出来。

唉，一不小心就忍不住想贴贴贴，毕竟游戏太好玩了，但是到此为止了。我不想剧透，下面才是本文的正题。

简介

《尼尔·机械纪元》中有一个关卡--复制之街。刚一进这个场景，我不由得发出一声惊叹，“我靠，这场景贴图是不是丢了？”

不过这个场景风格也是蛮不错的，同时也让我想起了一个略微进阶一些的图形技术，环境光遮蔽（AO）。整个场景看起来没有表示颜色的albedo，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：

环境光遮蔽（Ambient Occlusion），最经常听到的应该是它的缩写AO。既然名字本身就带Ambient，说明其本身是对于环境光强度的一种控制，所以有必要来先了解一下环境光的计算。

光照是可以线性叠加的，一般来说最终的光照结果 = 直接光照 +  间接光照。我们计算物体的直接光照效果时，可以直接通过BRDF计算，而环境光属于间接光照，要想计算真正的环境光，需要在该点法线方向所对应的半球积分计算，在离线渲染的情况下也只能通过蒙特卡洛积分等方式近似计算，对于光线追踪的方式渲染的情况，自然可以得到比较好的效果，但是即使现在的RTX似乎也不能真正地实时跑光线追踪，所以在实时渲染领域，环境光一般使用的就是环境贴图（SkyBox，Reflection Probe），球谐光照（Spherical Harmonic Lighting），光照贴图（Light Map，需要用离线烘焙），甚至直接加一个固定的环境光值（简单粗暴，比如Unity中的UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT宏）。普通光源的遮挡效果也就是阴影，我们可以通过Shadow Map，模板阴影等来实现，但是对于环境光的遮挡效果，半球上的光线自然没有方法用普通的Shadow Map方式来计算了。所以研究怎样遮挡环境光的强度的就叫环境光遮蔽。

环境光遮蔽主要用来控制物体和物体相交，夹角，褶皱等位置遮挡漫反射光线的效果，简单来说就是某一点对于环境的暴露比例，如果是平面，那么没有遮蔽；如果是夹角，褶皱等那么周围的面就会遮蔽一部分环境光，就导致该点的环境光相对较弱。如果环境光没有遮蔽效果，那么不管褶皱还是平面，环境光照结果是一致的。而环境光遮蔽可以使褶皱，夹角等位置的光照效果变弱（比如一根管子，在管口的位置应该比较亮，而越向内，应该越暗），提高暗部阴影效果达到一种近似自阴影的效果，提升画面的层次感，增加细节。

在了解了环境光遮蔽的基本概念之后，本文主要实现几种主流的环境光遮蔽效果，AO贴图（使用预烘焙的贴图，实现离线的基于GPU的烘焙AO贴图的工具），SSAO（屏幕空间环境光遮蔽），HBAO（水平基准环境光遮蔽）。

AO Map-环境光遮蔽贴图

首先看一下最简单的AO贴图的使用，这也是性能最好的方式，但是这并不代表这种方法整体性能好，只是在运行时使用了预计算的结果。而AO贴图的生成是使用光线追踪的方式，反而是这几种AO方式种耗时最长但是效果相对更好的一种，毕竟只要一离线，时间什么的都是次要的。

使用美术工具烘焙AO贴图

AO贴图技术已经比较古老了，现有的各种3D软件基本都支持AO的烘焙，如3dsMax，Maya等。我今天使用的是Substance Painter，这个功能很强大的软件，而且相比于前两者，烘焙比较方便，但是据说效果没有前两者好。不过这些都不重要，毕竟怎么烘焙，那是美术同学的事情。

使用Substance Painter的烘焙选项，支持直接烘焙Mesh，烘焙面板如下：

我们用一个小狮子的模型导入Substance Painter中，然后使用低模烘焙一发AO贴图，同时工具也支持带有法线贴图的低模烘焙AO贴图，可以把法线细节的AO效果也烘焙出来。烘焙的贴图如下，左侧为直接烘焙，右侧为带有法线贴图之后烘焙的AO效果：

如果抓帧哪个游戏看到某个类似的通道，在褶皱处偏黑的，可能就是AO贴图啦。得到AO贴图之后，下面就需要看一下AO贴图的使用了。

AO贴图的使用

上面说过，光照是可以线性叠加的，全局光照 = 直接光照 + 间接光照。Unity也不例外，下面是Unity官方Shader的光照叠加部分：

 half3 color = diffColor * (gi.diffuse + light.color * diffuseTerm)
                    + specularTerm * light.color * FresnelTerm (specColor, lh)
                    + surfaceReduction * gi.specular * FresnelLerp (specColor, grazingTerm, nv);

不考虑菲尼尔项的话，就是direct diffuse + direct specular + gi diffuse + gi specular，前两者通过BRDF计算，而后两者就是所谓的环境光，我们看一下Unity官方的GI Shader源代码：

inline UnityGI UnityGI_Base(UnityGIInput data, half occlusion, half3 normalWorld)
{
    UnityGI o_gi;
    ResetUnityGI(o_gi);
 
    // Base pass with Lightmap support is responsible for handling ShadowMask / blending here for performance reason
    #if defined(HANDLE_SHADOWS_BLENDING_IN_GI)
        half bakedAtten = UnitySampleBakedOcclusion(data.lightmapUV.xy, data.worldPos);
        float zDist = dot(_WorldSpaceCameraPos - data.worldPos, UNITY_MATRIX_V[2].xyz);
        float fadeDist = UnityComputeShadowFadeDistance(data.worldPos, zDist);
        data.atten = UnityMixRealtimeAndBakedShadows(data.atten, bakedAtten, UnityComputeShadowFade(fadeDist));
    #endif
 
    o_gi.light = data.light;
    o_gi.light.color *= data.atten;
 
    #if UNITY_SHOULD_SAMPLE_SH
        o_gi.indirect.diffuse = ShadeSHPerPixel(normalWorld, data.ambient, data.worldPos);
    #endif
 
    #if defined(LIGHTMAP_ON)
        // Baked lightmaps
        half4 bakedColorTex = UNITY_SAMPLE_TEX2D(unity_Lightmap, data.lightmapUV.xy);
        half3 bakedColor = DecodeLightmap(bakedColorTex);
 
        #ifdef DIRLIGHTMAP_COMBINED
            fixed4 bakedDirTex = UNITY_SAMPLE_TEX2D_SAMPLER (unity_LightmapInd, unity_Lightmap, data.lightmapUV.xy);
            o_gi.indirect.diffuse += DecodeDirectionalLightmap (bakedColor, bakedDirTex, normalWorld);
 
            #if defined(LIGHTMAP_SHADOW_MIXING) && !defined(SHADOWS_SHADOWMASK) && defined(SHADOWS_SCREEN)
                ResetUnityLight(o_gi.light);
                o_gi.indirect.diffuse = SubtractMainLightWithRealtimeAttenuationFromLightmap (o_gi.indirect.diffuse, data.atten, bakedColorTex, normalWorld);
            #endif
 
        #else // not directional lightmap
            o_gi.indirect.diffuse += bakedColor;
 
            #if defined(LIGHTMAP_SHADOW_MIXING) && !defined(SHADOWS_SHADOWMASK) && defined(SHADOWS_SCREEN)
                ResetUnityLight(o_gi.light);
                o_gi.indirect.diffuse = SubtractMainLightWithRealtimeAttenuationFromLightmap(o_gi.indirect.diffuse, data.atten, bakedColorTex, normalWorld);
            #endif
 
        #endif
    #endif
 
    #if