【光照】UnityURP[屏幕空间环境光遮蔽SSAO]原理剖析实践

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

SSAO（Screen Space Ambient Occlusion，屏幕空间环境光遮蔽）是Unity URP中用于模拟物体间环境光遮蔽效果的技术，通过计算像素周围几何体的遮挡关系增强场景深度感和真实感。

技术发展进程

• ‌早期阶段‌：传统SSAO算法如Crytek SSAO（2007年）采用半球采样和深度比较，计算开销较大。
• ‌优化阶段‌：2010年后出现基于屏幕空间法线的改进算法（如HBAO），减少采样噪声。
• ‌URP集成‌：Unity 2019年将SSAO作为URP核心后处理效果，支持移动端优化实现。

核心原理

• ‌采样阶段‌：在屏幕空间随机采样当前像素周围的深度值，计算遮挡系数。
• ‌遮蔽计算‌：通过比较采样点与当前像素的深度差，确定光线被阻挡的概率。
• ‌模糊处理‌：使用双边滤波消除噪声，保留边缘细节。

URP实现机制

URP通过ScreenSpaceAmbientOcclusion渲染特性实现：

原理示例

1. 像素P的深度值为Dp，法线为Np
2. 在半球范围内随机采样点S（深度Ds）
3. 若(Ds > Dp)则累计遮蔽值
4. 最终遮蔽强度 = 1 - (可见采样点/总采样点)

采样阶段

深度纹理获取‌：

• 通过_CameraDepthTexture获取屏幕空间深度值，将像素坐标转换为视图空间位置

• 深度纹理获取原理

  在URP中，_CameraDepthTexture通过以下方式生成：

  • ‌深度图来源‌：URP会在渲染不透明物体后通过CopyDepth Pass将场景深度复制到_CameraDepthTexture，若无法直接复制则启用PreDepthPass逐物体渲染深度
  • ‌纹理声明‌：需在Shader中正确定义TEXTURE2D(_CameraDepthTexture)或引用URP内置头文件DeclareDepthTexture.hlsl
  • ‌采样方式‌：使用SAMPLE_TEXTURE2D函数结合屏幕UV坐标获取非线性深度值，需通过Linear01Depth()转换为[0,1]范围的线性深度

• 像素坐标到视图空间转换流程

  • ‌屏幕坐标计算‌：

    hlsl
    float2 screenUV = i.positionCS.xy / _ScreenParams.xy; // 归一化到[0,1]范围
    

  • ‌深度值解码‌：

    hlsl
    float depth = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, screenUV);
    float linearDepth = Linear01Depth(depth, _ZBufferParams); // 转换为线性深度
    

  • ‌视图空间重建‌：

    • ‌方法一‌：通过摄像机射线插值

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

    • ‌方法二‌：使用URP内置函数

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

• ‌坐标系统转换‌：

  • 屏幕坐标 → NDC坐标 → 裁剪空间 → 视图空间，需注意不同API的NDC范围差异（OpenGL为[-1,1]，DirectX为[0,1]）

• ‌深度值特性‌：

  • 原始深度值为非线性分布（透视投影），Linear01Depth通过_ZBufferParams参数处理平台差异

• ‌性能优化‌：

  • 移动端建议使用SampleSceneDepth()封装方法，自动处理平台兼容性问题

完整实现可参考URP的ScreenSpaceAmbientOcclusion.hlsl文件，其中包含深度采样和空间转换的标准流程

‌法线重建‌：

• 利用深度差计算相邻像素的法线向量，形成法线半球采样空间

• ‌深度差计算‌

  • 对当前像素的上下左右四个相邻像素进行深度采样，计算水平/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
  

  • 该过程通过_CameraDepthTexture获取深度值，并转换为线性深度‌。

• ‌法线向量生成‌

  • 将深度差转换为向量后叉乘得到法线：

  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);  // 叉乘结果
  

  最终法线需归一化处理，确保长度为1。

• ‌法线半球采样空间‌

  • 以重建的法线为基准，在其半球空间内均匀分布采样点，用于环境光遮蔽计算。该空间满足：
    • 采样方向与法线夹角≤90°（max(0, N·S)）
    • 采样点深度差决定遮蔽强度（1-saturate(Ds-Dp)/半径）‌

• 技术实现细节

  • ‌深度纹理采样‌：需在URP中启用DepthTextureMode.Depth，通过SAMPLE_DEPTH_TEXTURE获取非线性深度‌
  • ‌坐标转换‌：屏幕坐标需通过ComputeScreenPos()转换为NDC坐标，再通过_CameraInvProjectionMatrix还原视图空间位置‌
  • ‌性能优化‌：移动端建议使用SampleSceneDepth()封装方法，避免平台兼容性问题‌

‌随机采样‌：

• 在法线半球内生成随机向量（如64个采样点），通过旋转噪声纹理避免带状伪影
• 伪影（Artifacts）的成因
  • 在屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）等算法中，‌带状伪影‌（Banding Artifacts）通常表现为采样点分布不均匀导致的明暗条纹。这种伪影主要由以下原因引起：
    • ‌固定采样模式‌：当使用固定网格或规则模式生成采样点时，相邻像素的采样方向过于相似，导致光照计算出现周期性重复‌
    • ‌噪声纹理重复‌：直接使用静态噪声纹理（如Perlin噪声）作为采样方向偏移时，纹理的周期性重复会放大采样点的规律性‌
• 旋转噪声纹理的解决方案
  • 通过旋转噪声纹理避免伪影的核心原理是‌破坏采样方向的周期性‌，具体实现方式如下：

    • ‌动态旋转噪声‌

      • 为每个像素生成唯一的旋转角度（如基于UV坐标或随机种子）
      • 将噪声纹理的UV坐标与旋转矩阵相乘，使噪声图案在空间上动态变化‌

      hlsl
      // 示例：基于UV坐标的旋转
      float2 rotatedUV = mul(noiseUV, rotationMatrix);
      float noiseValue = tex2D(_NoiseTex, rotatedUV);
      

    • ‌采样点分布优化‌

      • 在法线半球内生成随机向量时，将噪声值作为方向偏移量：

      随机向量s = normalize(noiseOffset × baseSampleDirection)

      • 通过旋转噪声纹理，使相邻像素的采样方向差异最大化，避免重复模式‌

    • ‌技术优势‌

      • ‌消除周期性‌：旋转后的噪声纹理在空间上无重复规律，破坏带状伪影的数学基础‌
      • ‌计算高效‌：仅需一次纹理采样和矩阵运算，适合实时渲染‌
• 实现参考
  • URP中可通过以下步骤实现：
    • 定义噪声纹理_NoiseTex并设置_NoiseUVScale控制缩放
    • 在片元着色器中计算旋转后的噪声值，用于调整采样方向‌

示例：

• 对像素P(深度1.0)生成采样点S(随机偏移0.2,0.3)，转换后深度为1.15

遮蔽计算阶段

‌深度比较‌：

• 将采样点投影回屏幕空间，比较采样深度与原深度

• 若采样深度更近（如S深度0.9 < P深度1.0），累计遮蔽值

• 深度值还原‌：将采样的非线性深度值通过Linear01Depth()函数转换为线性空间值（范围[0,1]）

  关键代码：

  hlsl
  float sampledDepth = Linear01Depth(SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture, sampler_CameraDepthTexture, uv), _ZBufferParams);
  

• ‌深度差计算‌：比较采样点深度与原像素深度，通常结合采样半径进行归一化处理

  判定逻辑：

  hlsl
  if (sampledDepth < currentDepth)
      occlusion += (currentDepth - sampledDepth) / _Radius;
  

• ‌边缘处理‌：当采样点超出屏幕边界时，默认按无遮挡处理或使用边缘像素值

• 在URP管线中，上述流程通过以下步骤完成：

  • 使用ComputeScreenPos()函数生成屏幕坐标
  • 通过SampleSceneDepth()方法采样深度纹理
  • 最终比较采用视图空间Z值而非线性深度，避免透视畸变影响

‌法线权重‌：

• 根据采样点与法线夹角衰减贡献，排除背面无效采样

公式：

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

• 法线权重部分（N·S）
  • ‌点积运算‌：N·S表示表面法线向量N与采样方向向量S的点积，用于评估采样点与法线的夹角关系
  • ‌背面剔除‌：max(0, N·S)确保只有法线半球内的采样点（夹角小于90°）产生贡献，排除背面无效采样示例：当N=(0,1,0)且S=(0.3,0.8,0)时，点积结果为0.8，有效权重为0.8
• 深度差部分（Ds-Dp）
  • ‌深度比较‌：Ds-Dp计算采样点深度与原像素深度的差值，正值表示采样点更近（产生遮挡）
  • ‌归一化处理‌：saturate(Ds-Dp)将差值钳制在[0,1]范围，避免极端值干扰
  • ‌半径归一化‌：除以采样半径_Radius使结果与采样范围无关，保证不同尺度下的一致性
• 综合计算
  • ‌遮蔽强度‌：1-saturate(Ds-Dp)/半径将深度差转换为可见性系数（0完全遮蔽，1完全可见）
  • ‌最终乘积‌：法线权重与可见性系数相乘，实现物理正确的遮蔽衰减应用场景：当采样点S在法线后方（N·S<0）或未被遮挡（Ds>Dp）时，该点贡献为0

该公式在URP中通过ScreenSpaceAmbientOcclusion.hlsl实现，核心代码段如下：

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));
}

模糊处理阶段

• 双边滤波‌：结合空间距离和颜色差异保留边缘
  • 水平/垂直两次高斯模糊，权重计算包含深度差阈值
• ‌降噪优化‌：使用低差异序列采样减少噪声，或通过Temporal AA累积帧数据

实际应用

代码说明：

• 动态启用URP后处理管线

• 配置SSAO强度、采样半径等关键参数

• 支持运行时参数调整

• SSAOSetup.cs

  using UnityEngine;
  using UnityEngine.Rendering.Universal;
  
  public class SSAOSetup : MonoBehaviour {
      void Start() {
          var urpAsset = GraphicsSettings.renderPipelineAsset
              as UniversalRenderPipelineAsset;
  
          // 启用SSAO后处理
          urpAsset.GetComponent<UniversalAdditionalCameraData>()
              .renderPostProcessing = true;
  
          // 参数配置示例
          var ssao = ScriptableObject.CreateInstance<ScreenSpaceAmbientOcclusion>();
          ssao.Intensity = 1.2f;
          ssao.Radius = 0.3f;
          ssao.SampleCount = 16;
      }
  }
  

使用建议

• ‌移动端优化‌：降低SampleCount至8-12，使用Downsample模式。
• ‌美术控制‌：通过材质参数控制不同区域的遮蔽强度。
• ‌性能监控‌：在Profiler中观察SSAO.Pass的耗时

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