Specular Aliasing与Specular Leaking

最近做高质量实时HDR PBR渲染中碰到了2个关键问题，若干思考如下：

问题1： 极高的动态范围HDR+高级BRDF+相对较低的采样率（比方说不考虑子像素的原始分辨率），在这3项因素的综合作用下，Specular Aliasing基本上不可避免。这已经不是存不存在Specular Aliasing的问题，而是如何去面对、何时面对的问题。模型精度越高、工作流越倾向于全PBR方式、光照计算精确程度越高，则反射高光走样越明显。

问题2： 另外还有个麻烦，就是在不引入前期baking机制的前提下使用IBL，会不可避免地导致occlusion信息缺失，从而产生异样的反射高光。occlusion是个挺麻烦的topic，无论是用SH+PRT、还是用Soft Shadows+AO，总是会产生这样那样的问题；曾一度尝试采用ScreenSpace Ray Marching的方式来动态生成occlusion，但感觉上这种做法产生的visibility是低质量的，且带来的性能损耗也不小。而且，在HDR+高级BRDF的环境使得因visibility缺失而导致漏光这个问题更加雪上加霜。

上面这2个问题呈现出来的异常现状是类似的，那就是异常的反射高光，但它们却是由于不同的原因所导致的，因此，在改善上述问题之前，首先必须对其进行合理的区分，后继改善方具备针对性。

先说第一个问题，从已有手段来看，基于屏幕空间的AA是实践中克服Specular Aliasing的最主要手段之一。Toksvig、LEAN、CLEAN等关注于优化Normalmap mipmap filter的做法并不是首选，因为它们不仅要大规模修改法线贴图资源，而且其理论依据中适用的BRDF也只是Blinn-phong这种大路货，效果不显著不说，而且还缺乏后期人为调整的灵活性，本质上来说，属于前期手段而非后期手段，调节手段与最终效果之间拉得太长，所以最终效果要是出了问题就会很麻烦，因此直接弃用。而使用FXAA、MLAA、TXAA等AA技术来解决这个问题的好处则在于，其把所有specular aliasing的问题集中在一个后处理环节上加以彻底解决，而且解决的程度（模糊一点？锐利一点？是否需要留一点aliasing以体现细节？等等）还可以灵活控制，这是基于贴图的反高光走样技术做不到的。AA有自己独到的优势，其工作在LDR空间，而不是HDR空间，本身就是基于人眼感知能力所进行的直接优化，因此不仅灵活，而且简单粗暴、直接有效。另外值得一提的还有超采样AA，作为一个简单的box filtering，实践证明，如果其运行在linear空间下，是不足以压制HDR PBR环境下的反射高光走样的，因为HDR+PBR BRDF导致的像素照度差异实在是太BT了，但还是能够带来部分的改善，尤其是跟其他基于LDR 的屏幕空间AA技术结合使用的情况下，细节与高光走样改善极佳，唯一缺陷就是对性能的负面影响太大。此外，还有一个因素，就是模型精度问题，良好的模型预处理（如法线计算、顶点拆分/合并、tangent/bi-tangent计算等）是解决高光走样的基础前提，因为法线是反射高光的决定性因素之一，这个基础前提达不到，后面的AA、贴图filter等效果均不会达到良好的效果。最后，提一提物理正确的问题，保持物理正确是一种情结，但是，Specular Aliasing这一问题其实本质上源于采样不足，而HDR+PBR光照计算以极其夸张的方式使得这一问题变得更加恶化，直至效果无法让人接受，所以，在采样数量达不到与HDR反射高光（高频detail）相匹配的惊人程度时（甚至HDR SSAAx8/x16都不够，在实时计算环境下无限制拔高采样率在性能方面几乎是无法接受的），Specular Aliasing在物理正确的光照计算框架范围内是无法解决的，因此，我们只能by all means，包括像AA这种非物理正确的后处理方式，实践证明这是有效的，所以此处实际上是有选择的暂时扬弃了“物理正确”原则，以获得有效的处理效果，但我想强调的是，这是合符情理的。

然后再说第二个问题，针对occlusion信息缺失所导致的漏光，在实时+准GI场合（如游戏等）下，目前业界真正提出来的简单、有效的办法并不多，基本上只有基于AO信息的specular occlusion比较实用，尽管这种直接利用ambient occlusion因子来推导得出高光遮蔽因子so的方式并不物理正确，本质上只是个hack，且其效果不仅取决于AO质量、同时也取决于模型质量（因为模型质量能在一定程度上决定AO质量），但简单易行，性能代价也极低，聊胜于无，如果采用tri-Ace那种以视觉效果为导向的光照分量合成hack，用下来也能起到不错的改善效果。除此之外，还有一类方法，就是基于SH/H3等球谐基的baking方法，比如1886，在baking阶段把visibility因子用QMC方式求取出来然后存入顶点或贴图，用于在运行时进行动态occlusion query，这种高大上的预处理手段当然效果是最好、最精确的，但工作代价也是最大的，需要工作流的全面配套梳理；最后，还有一类方法，就是基于sphere set approximation等proxy的occlusion近似计算方法，比如last of us，这种方法在相对低动态范围的画面环境下，也能够得到不错的阴影遮蔽效果。此外，还有一些宣称用Visibility预计算（其实是form factor，呵呵）+烘焙相结合能搞得定的系统级方案，如enlighten等radiosity system，那已经是属于准baking的重量级方案了。总体而言，考虑到Specular Leaking的实质问题在于为提升实时渲染效率而引入的遮蔽与光照分离，在存在预计算手段或者是不那么计较计算代价的前提下，其是有可能以近似物理正确的方式加以解决的，这个是其与Specular Aliasing的一个关键差异。

综上，一通思考下来，上述两个问题，其实都是目前物理真实向实时渲染管线的系统性问题，暂时都还没有一劳永逸的golden standard，只能应地制宜，根据情况灵活调整，本质上还是取决于经验与权衡。实际上，从经验来看，严格来讲，高光走样与漏光几乎涉及到pipeline的几乎每一个环节的细节，从贴图-模型处理、到AO/SO质量、到HDR pipleine平衡性、到PostFX、再到AA质量，每一个环节均需小心应对最终方可有效减轻。此篇blog，是为一阶段性小结。