【光照】UnityURP[屏幕空間環境光遮蔽SSAO]原理剖析實踐

本文探討Unity URP中屏幕空間環境光遮蔽(SSAO)技術的實現。SSAO通過計算像素周圍幾何體的遮擋關系增強場景真實感，其發展經歷了傳統算法、優化改進和URP集成三個階段。核心技術包括深度紋理采樣、法線重建、遮蔽計算和雙邊濾波處理。URP通過ScreenSpaceAmbientOcclusion渲染特性實現，關鍵步驟涉及視圖空間坐標轉換、法線半球采樣和旋轉噪聲紋理優化。文章詳細解析了采樣階段、遮蔽計算和模糊處理的實現原理，并提供了移動端優化建議和參數配置示例，幫助開發者理解并應用這一提升場景真實感的重

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

SSAO（Screen Space Ambient Occlusion，屏幕空間環境光遮蔽）是Unity URP中用于模擬物體間環境光遮蔽效果的技術，通過計算像素周圍幾何體的遮擋關系增強場景深度感和真實感。

技術發展進程

?早期階段?：傳統SSAO算法如Crytek SSAO（2007年）采用半球采樣和深度比較，計算開銷較大。
?優化階段?：2010年后出現基于屏幕空間法線的改進算法（如HBAO），減少采樣噪聲。
?URP集成?：Unity 2019年將SSAO作為URP核心后處理效果，支持移動端優化實現。

核心原理

?采樣階段?：在屏幕空間隨機采樣當前像素周圍的深度值，計算遮擋系數。
?遮蔽計算?：通過比較采樣點與當前像素的深度差，確定光線被阻擋的概率。
?模糊處理?：使用雙邊濾波消除噪聲，保留邊緣細節。

URP實現機制

URP通過ScreenSpaceAmbientOcclusion渲染特性實現：

原理示例

像素P的深度值為Dp，法線為Np
在半球范圍內隨機采樣點S（深度Ds）
若(Ds > Dp)則累計遮蔽值
最終遮蔽強度 = 1 - (可見采樣點/總采樣點)

采樣階段

深度紋理獲取?：

通過_CameraDepthTexture獲取屏幕空間深度值，將像素坐標轉換為視圖空間位置
深度紋理獲取原理

在URP中，_CameraDepthTexture通過以下方式生成：
- ?深度圖來源?：URP會在渲染不透明物體后通過CopyDepth Pass將場景深度復制到_CameraDepthTexture，若無法直接復制則啟用PreDepthPass逐物體渲染深度
- ?紋理聲明?：需在Shader中正確定義TEXTURE2D(_CameraDepthTexture)或引用URP內置頭文件DeclareDepthTexture.hlsl
- ?采樣方式?：使用SAMPLE_TEXTURE2D函數結合屏幕UV坐標獲取非線性深度值，需通過Linear01Depth()轉換為[0,1]范圍的線性深度

像素坐標到視圖空間轉換流程

?屏幕坐標計算?：

hlsl
float2 screenUV = i.positionCS.xy / _ScreenParams.xy; // 歸一化到[0,1]范圍

?深度值解碼?：

hlsl
float depth = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, screenUV);
float linearDepth = Linear01Depth(depth, _ZBufferParams); // 轉換為線性深度

?視圖空間重建?：

?方法一?：通過攝像機射線插值

hlsl
float3 viewPos = _CameraInvProjectionMatrix * float4(screenUV * 2 - 1, linearDepth * 2 - 1, 1);
viewPos /= viewPos.w; // 透視除法

?方法二?：使用URP內置函數

hlsl
float3 viewPos = ComputeViewSpacePosition(screenUV, linearDepth); // 需包含Core.hlsl

?坐標系統轉換?：
- 屏幕坐標 → NDC坐標 → 裁剪空間 → 視圖空間，需注意不同API的NDC范圍差異（OpenGL為[-1,1]，DirectX為[0,1]）
?深度值特性?：
- 原始深度值為非線性分布（透視投影），Linear01Depth通過_ZBufferParams參數處理平臺差異
?性能優化?：
- 移動端建議使用SampleSceneDepth()封裝方法，自動處理平臺兼容性問題

完整實現可參考URP的ScreenSpaceAmbientOcclusion.hlsl文件，其中包含深度采樣和空間轉換的標準流程

?法線重建?：

利用深度差計算相鄰像素的法線向量，形成法線半球采樣空間
?深度差計算?
- 對當前像素的上下左右四個相鄰像素進行深度采樣，計算水平/垂直方向的高度差：
```
hlsl
float u = rightDepth - leftDepth;  // 水平差分
float v = bottomDepth - topDepth;  // 垂直差分
```
- 該過程通過_CameraDepthTexture獲取深度值，并轉換為線性深度?。

?法線向量生成?

將深度差轉換為向量后叉乘得到法線：

hlsl
Vector3 vec_u = (1, 0, u);  // 水平方向向量
Vector3 vec_v = (0, 1, v);  // 垂直方向向量
Vector3 normal = cross(vec_u, vec_v);  // 叉乘結果

最終法線需歸一化處理，確保長度為1。

?法線半球采樣空間?
- 以重建的法線為基準，在其半球空間內均勻分布采樣點，用于環境光遮蔽計算。該空間滿足：
  - 采樣方向與法線夾角≤90°（max(0, N·S)）
  - 采樣點深度差決定遮蔽強度（1-saturate(Ds-Dp)/半徑）?
技術實現細節
- ?深度紋理采樣?：需在URP中啟用DepthTextureMode.Depth，通過SAMPLE_DEPTH_TEXTURE獲取非線性深度?
- ?坐標轉換?：屏幕坐標需通過ComputeScreenPos()轉換為NDC坐標，再通過_CameraInvProjectionMatrix還原視圖空間位置?
- ?性能優化?：移動端建議使用SampleSceneDepth()封裝方法，避免平臺兼容性問題?

?隨機采樣?：

在法線半球內生成隨機向量（如64個采樣點），通過旋轉噪聲紋理避免帶狀偽影
偽影（Artifacts）的成因
- 在屏幕空間環境光遮蔽（SSAO）等算法中，?帶狀偽影?（Banding Artifacts）通常表現為采樣點分布不均勻導致的明暗條紋。這種偽影主要由以下原因引起：
  - ?固定采樣模式?：當使用固定網格或規則模式生成采樣點時，相鄰像素的采樣方向過于相似，導致光照計算出現周期性重復?
  - ?噪聲紋理重復?：直接使用靜態噪聲紋理（如Perlin噪聲）作為采樣方向偏移時，紋理的周期性重復會放大采樣點的規律性?
旋轉噪聲紋理的解決方案
- 通過旋轉噪聲紋理避免偽影的核心原理是?破壞采樣方向的周期性?，具體實現方式如下：
  - ?動態旋轉噪聲?
    - 為每個像素生成唯一的旋轉角度（如基于UV坐標或隨機種子）
    - 將噪聲紋理的UV坐標與旋轉矩陣相乘，使噪聲圖案在空間上動態變化?
```
hlsl
// 示例：基于UV坐標的旋轉
float2 rotatedUV = mul(noiseUV, rotationMatrix);
float noiseValue = tex2D(_NoiseTex, rotatedUV);
```
  - ?采樣點分布優化?
    - 在法線半球內生成隨機向量時，將噪聲值作為方向偏移量：
    隨機向量s = normalize(noiseOffset × baseSampleDirection)
    - 通過旋轉噪聲紋理，使相鄰像素的采樣方向差異最大化，避免重復模式?
  - ?技術優勢?
    - ?消除周期性?：旋轉后的噪聲紋理在空間上無重復規律，破壞帶狀偽影的數學基礎?
    - ?計算高效?：僅需一次紋理采樣和矩陣運算，適合實時渲染?
實現參考
- URP中可通過以下步驟實現：
  - 定義噪聲紋理_NoiseTex并設置_NoiseUVScale控制縮放
  - 在片元著色器中計算旋轉后的噪聲值，用于調整采樣方向?

示例：

對像素P(深度1.0)生成采樣點S(隨機偏移0.2,0.3)，轉換后深度為1.15

遮蔽計算階段

?深度比較?：

將采樣點投影回屏幕空間，比較采樣深度與原深度
若采樣深度更近（如S深度0.9 < P深度1.0），累計遮蔽值
深度值還原?：將采樣的非線性深度值通過Linear01Depth()函數轉換為線性空間值（范圍[0,1]）

關鍵代碼：
```
hlsl
float sampledDepth = Linear01Depth(SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, uv), _ZBufferParams);
```
?深度差計算?：比較采樣點深度與原像素深度，通常結合采樣半徑進行歸一化處理

判定邏輯：
```
hlsl
if (sampledDepth < currentDepth)
    occlusion += (currentDepth - sampledDepth) / _Radius;
```
?邊緣處理?：當采樣點超出屏幕邊界時，默認按無遮擋處理或使用邊緣像素值
在URP管線中，上述流程通過以下步驟完成：
- 使用ComputeScreenPos()函數生成屏幕坐標
- 通過SampleSceneDepth()方法采樣深度紋理
- 最終比較采用視圖空間Z值而非線性深度，避免透視畸變影響

?法線權重?：

根據采樣點與法線夾角衰減貢獻，排除背面無效采樣

公式：

遮蔽因子 = max(0, N·S) * (1-saturate(Ds-Dp)/半徑)

法線權重部分（N·S）
- ?點積運算?：N·S表示表面法線向量N與采樣方向向量S的點積，用于評估采樣點與法線的夾角關系
- ?背面剔除?：max(0, N·S)確保只有法線半球內的采樣點（夾角小于90°）產生貢獻，排除背面無效采樣示例：當N=(0,1,0)且S=(0.3,0.8,0)時，點積結果為0.8，有效權重為0.8
深度差部分（Ds-Dp）
- ?深度比較?：Ds-Dp計算采樣點深度與原像素深度的差值，正值表示采樣點更近（產生遮擋）
- ?歸一化處理?：saturate(Ds-Dp)將差值鉗制在[0,1]范圍，避免極端值干擾
- ?半徑歸一化?：除以采樣半徑_Radius使結果與采樣范圍無關，保證不同尺度下的一致性
綜合計算
- ?遮蔽強度?：1-saturate(Ds-Dp)/半徑將深度差轉換為可見性系數（0完全遮蔽，1完全可見）
- ?最終乘積?：法線權重與可見性系數相乘，實現物理正確的遮蔽衰減應用場景：當采樣點S在法線后方（N·S<0）或未被遮擋（Ds>Dp）時，該點貢獻為0

該公式在URP中通過ScreenSpaceAmbientOcclusion.hlsl實現，核心代碼段如下：

hlsl
float occlusion = 0;
for (int i = 0; i < _SampleCount; i++) {
    float3 sampleDir = normalize(_Samples[i]);
    float weight = max(dot(normal, sampleDir), 0);
    float depthDiff = (SampleDepth(samplePos) - centerDepth) / _Radius;
    occlusion += weight * (1 - saturate(depthDiff));
}

模糊處理階段

雙邊濾波?：結合空間距離和顏色差異保留邊緣
- 水平/垂直兩次高斯模糊，權重計算包含深度差閾值
?降噪優化?：使用低差異序列采樣減少噪聲，或通過Temporal AA累積幀數據

實際應用

代碼說明：

動態啟用URP后處理管線
配置SSAO強度、采樣半徑等關鍵參數
支持運行時參數調整

SSAOSetup.cs

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering.Universal;

public class SSAOSetup : MonoBehaviour {
    void Start() {
        var urpAsset = GraphicsSettings.renderPipelineAsset 
            as UniversalRenderPipelineAsset;

        // 啟用SSAO后處理
        urpAsset.GetComponent<UniversalAdditionalCameraData>()
            .renderPostProcessing = true;

        // 參數配置示例
        var ssao = ScriptableObject.CreateInstance<ScreenSpaceAmbientOcclusion>();
        ssao.Intensity = 1.2f;
        ssao.Radius = 0.3f;
        ssao.SampleCount = 16;
    }
}

使用建議

?移動端優化?：降低SampleCount至8-12，使用Downsample模式。
?美術控制?：通過材質參數控制不同區域的遮蔽強度。
?性能監控?：在Profiler中觀察SSAO.Pass的耗時

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達
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posted @ 2025-10-17 12:40 SmalBox 閱讀(82) 評論(0) 收藏舉報

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