SSAO详述

简介：

在所以的间接光照的方式中，AO(环境遮蔽)是最为简单的，它并不属于GI范畴，但是却能够渲染出GI相似的氛围。从性价比上来说，这种方式比真正的GI更为可取，比较GI是一种奢侈品。

 

原理：

以当前点P的位置为起点向空间内任意方向发射射线，并进行类似碰撞检测，碰撞到P1点，如果被遮挡对遮挡值进行累计。在这个过程中有两个限定的地方，第一个就是射线与当前点的法线的夹角值必须大于一个值(一个常量值)，一次来判定P点是否被P1挡住。第二个就是采样的点数是固定的，随机的，并且要保障是均匀分布的。

 

实现思路：

1.第一个pass渲染场景的时候生产3个目标，第一个生成场景，第二个记录view空间的法向量值，第三个记录view空间的深度值。

2.第二个pass以法向量纹理和深度纹理为参数进行渲染：

(1)使用UV坐标获取随机向量，这个向量是3D的可以认为是view空间的向量。

(2)通过向量对采样点(采样点其实就是射线的方向，因为原点是P点)进行反射，为什么要反射呢？让原本固定的数组由于放射向量的随机性而产生随机的结果，所以这里的随机是相对于其它的点来说的，而不是当前的点的采样，当前点的采样是相对固定的。这里需要注意的是，反射的是方向，而不是点，这样最终采样的点始终在以R为半径的圆上面。

(3)射线方向向量*法向量，算出夹角值，这里设定夹角cos值的绝对值<0.5，过滤掉一些遮挡效果不明显的点。

(4)没有被过滤掉的点，会映射到屏幕空间，然后通过它的uv坐标获取到它的view空间的法向量和深度值，其实这个时候的法向量已经没有用了，所以可以直接获取深度值就行。为什么本来在view空间的点要映射到屏幕空间，之后有采样view空间的深度值呢？原因是，随机的那些在圆上面的采样点，并不一定在模型上，也就是说它不一定是个真实存在的点。映射会屏幕，然后获取深度值，这个时候其实相当于从eye发了一条射线穿过采样点然后落到模型上，这时候的深度值是有意义的。

(5)最后，比较P和采样点的深度值，如果比较大说明这个点比较远忽略掉，这里的比较规则可以根据具体场景进行控制。

 

 

  // 1.生成随机的反射向量，用这种方式代替旋转矩阵，减少计算量
  float3 Ref=normalize((tex2D(RandNorms,UV*20).xyz*2.0)-1);
  float AO=0;

  // 2.这里随机生成16条射线
  for (int i=0;i<16;i++)
  {
    // 3.数组的内容本身是固定的，但是通过随机向量进行反射后，整体随机了 
    float3 Ray=Rad*reflect(SphereNorms.xyz,Ref);
    float RayDot=dot(normalize(Ray),Normal);

    // 4.试想一下，如果射线与法线的夹角大于90度，即便射线找到了一个点，那也肯定是不会对这个点遮挡的，因为这个点是一个峰点而不是谷点
    if (abs(RayDot)<0.5)
      continue;

    if (RayDot<0)
      Ray=-Ray;

    // Calculate camera space postion at end of sampling ray
    // 5.SamplePos是以CamPos为圆心以R为半径的球面上面的点，这个点是view空间的
    float3 SamplePos=CamPos+Ray;
    
    // 6.把view空间的点转换到uv，最好把这里当做伪代码，认真你就输了
    float2 SampleUV=(SamplePos.xy/SamplePos.z)*0.5+0.5;
    SampleUV.y=1-SampleUV.y;

    float4 TestSample=tex2D(SampleMap,SampleUV);
    float TestDepth=(TestSample.z+TestSample.w/255)*Params.w;

    // 7.对结果进行累计，不太清楚这里为啥搞一个平滑差值，这个不是重点，即使你直接加也会有效果了
    float DepthDiff=(SamplePos.z-TestDepth);
    if (DepthDiff>0 && DepthDiff<Rad)
      AO+=1.0-smoothstep(0,Rad,DepthDiff);
  }

 上面这段代码算是很清晰的描述了整个SSAO的过程，其实想通了就不是很难。

 

HDAO：

// 1.这里是对当前进行测试，采样8个点然后计算出一个fDot 值来权衡是否要计算这个值。它才有的方式是要么对这个点进行全部采样计算，要么就不计算。
fDot = NormalRejectionTest(i2ScreenCoord); 

float4(fCenterZ,fCenterZ,fCenterZ,1.0f);

	if(fDot > 0.6f) // 小于0.6的不计算
    {
	     float fDepth = mDTexture[i2ScreenCoord].x;
		 fCenterZ = fDepth;

                 // 2.这里它用到了位移贴图的方法，这尼玛采样多了一倍，效果不好才怪
		 float fCenterNormalZ = mNTexture[i2ScreenCoord].z;//g_txNormals.SampleLevel( g_SamplePoint, f2TexCoord, 0 ).x;
		 fOffsetCenterZ = fCenterZ + fCenterNormalZ * g_fNormalScale;

		 // 这里的Ring有四个级别，相当于4圈，一共20个点，加上Normal40个点
		 for(int iGather=0; iGather<iNumRingGathers; iGather++)
		 {
		     // 这里都是分辨率纹理坐标
		     int2 i2MirrorRingPattern = (g_f2HDAORingPattern[iGather] + int2( 1, 1 )) * int2( -1, -1 );
             int2 i2OffsetScreenCoord = i2ScreenCoord + g_f2HDAORingPattern[iGather];
             int2 i2MirrorOffsetScreenCoord = i2ScreenCoord + i2MirrorRingPattern;

			// // 获取深度 
			 f4SampledZ[0] = GatherZSamples( mDTexture, i2OffsetScreenCoord);
             f4SampledZ[1] = GatherZSamples( mDTexture, i2MirrorOffsetScreenCoord);

			 // 检测深度 合格为1不合格为0
            f4Diff = fCenterZ.xxxx - f4SampledZ[0]; // 比较深度，如果在最大和最小半径区间内则为1否则为0
            f4Compare[0] = ( f4Diff < g_fHDAORejectRadius.xxxx ) ? ( 1.0f ) : ( 0.0f );
            f4Compare[0] *= ( f4Diff > g_fHDAOAcceptRadius.xxxx ) ? ( 1.0f ) : ( 0.0f );
            
            f4Diff = fCenterZ.xxxx - f4SampledZ[1]; // 对镜像也做一次同样的操作
            f4Compare[1] = ( f4Diff < g_fHDAORejectRadius.xxxx ) ? ( 1.0f ) : ( 0.0f );
            f4Compare[1] *= ( f4Diff > g_fHDAOAcceptRadius.xxxx ) ? ( 1.0f ) : ( 0.0f );

			// 这个就是咱要的结果 这个地方还有一个权重值哦，搞这么多名堂，都是效率啊
            f4Occlusion.xyzw += ( g_f4HDAORingWeight[iGather].xyzw * ( f4Compare[0].xyzw * f4Compare[1].zwxy ) * fDot ); 

			// Use Normal
			float4 f4SampledNormalZ[2];
			f4SampledNormalZ[0] = GatherSamples( mNTexture, i2OffsetScreenCoord);
            f4SampledNormalZ[1] = GatherSamples( mNTexture, i2MirrorOffsetScreenCoord);
			f4OffsetSampledZ[0] = f4SampledZ[0] + ( f4SampledNormalZ[0] * g_fNormalScale );
            f4OffsetSampledZ[1] = f4SampledZ[1] + ( f4SampledNormalZ[1] * g_fNormalScale );

			f4Diff = fOffsetCenterZ.xxxx - f4OffsetSampledZ[0]; // 位移后的差值，既然如此就不该两者都存在
            f4Compare[0] = ( f4Diff < g_fHDAORejectRadius.xxxx ) ? ( 1.0f ) : ( 0.0f );
            f4Compare[0] *= ( f4Diff > g_fHDAOAcceptRadius.xxxx ) ? ( 1.0f ) : ( 0.0f );
                
            f4Diff = fOffsetCenterZ.xxxx - f4OffsetSampledZ[1];
            f4Compare[1] = ( f4Diff < g_fHDAORejectRadius.xxxx ) ? ( 1.0f ) : ( 0.0f );
            f4Compare[1] *= ( f4Diff > g_fHDAOAcceptRadius.xxxx ) ? ( 1.0f ) : ( 0.0f );

			f4Occlusion.xyzw += ( g_f4HDAORingWeight[iGather].xyzw * ( f4Compare[0].xyzw * f4Compare[1].zwxy ) * fDot ); 
		 }
	}

	fOcclusion = (( f4Occlusion.x + f4Occlusion.y + f4Occlusion.z + f4Occlusion.w ) / ( 3.0f * g_fRingWeightsTotal[iNumRings - 1] ) );

	fOcclusion *= ( g_fHDAOIntensity );
    fOcclusion = 1.0f - saturate( fOcclusion );
    //return fOcclusion;
	Result[i2ScreenCoord] = float4(fOcclusion,fOcclusion,fOcclusion,1.0f);

 上面这个是SDK10里面的一个例子叫HDAO，其实本质上与SSAO是没有区别的，但是有几个小的区别：1.在test的时候采取的是要么对整个点忽略，要么就算整个点所有的采样。2.使用了位移贴图，位移贴图是tess里面比较常用的一种渲染，这里用来增加细节。3.这个ring把采样数组里面的点分成了几层，这种方式感觉比较好。

1.NormalRejectionTest：为当前点指定四个偏移，然后镜像，就是四对了。每一对求法线的夹角，累积判断当前点是否在峡谷中，如果就计算遮蔽，不在就忽略掉。

2.最多高达20对的采样来计算遮蔽，而且还添加了权重值，我觉得这完全是坑爹啊。

 

Alchemy AO：一个号称比HDAO更快效果更好的AO。

理论基础：

公式一：
1.Lx(C,w)：一个辐射方程，里面的C表示点的位置，w是一个单位向量，r和无穷都表示的是C点的球半径。

2.V(C,P)：可见性方程，如果V与场景无焦点，则表示可见，否则就是不可见。

这个公式把辐射分为近距离辐射和远距离辐射r是分界距离，把它分成两部分也方便计算。

公式二：
 AOr(C,n) ：是我们要求的最终结果，就是光照到C的比率。Ar(C,n) ：是遮蔽度，求出周围点的对该点的遮蔽。

公式三：
1.这里的数列之所以是π而不是2π，是因为只考虑法向量正面的这个半球的遮蔽。这里的1/π是求平均值用的。

2.g(t)：t是碰到第一个遮蔽物的距离，而g(t)是距离对遮蔽的影响。

3.n*w：其实就是cosa，这个值相当于遮蔽物角度对C的影响，当然是角度越大影响越小。

4.V(r)：V还是判断是否遮蔽的结果是0或1，只不过参数变成了一个。

理论上来说，我们按照公式三来计算就能求出遮蔽系数了，但是积分这种东西肯定是不适合实时渲染的，我们会选择采样估算的方式来计算遮蔽系数。但是这个公式很重要，是理论基础。

 

估算：

简化一：

首先，没有遮蔽的点，对我们来说是没意义的，因为它不会遮蔽。所以这里在(公式三)的基础上取了π的子集，这个子集射出的射线都被遮挡了。

化简二：

这一步主要是把g(t)这个公式：带入到A中，然后v其实就是一个有距离的w向量，最后结果如上面的8式。

 这里描述了u和r的关系。

 这个时候已经变成S个点的采样了，H是Heaviside方程，这个比较高端啊，不懂。

最终结果：这里考虑到了，漏光以及采样的时候屏幕上的圆到view空间实际上是一个椭圆等因素后的结果。

这里的常量值：

e = 0.0001f;   r = 0.5f;   k = 1.0f;  omga = 1.0f;   bta = 0.0001f; 

这里的z是用来缩放遮蔽的距离的，但是论文里面描述的不是很清楚。

 

采样方式：

 基本上所有的AO的采样方式都差不多，先在屏幕空间画个圈，随机采样，然后映射到view空间。然后根据公式进行计算。与其他的AO相比这个AO对距离和夹角做了衰减，这是它的亮点。至于效率上，这个肯不出来高低啊，还是得跟采样的点数挂钩。

 

细节： 这里计算的时候应该把空间转换到VS而不是WS，因为从屏幕映射回去的时候，如果涉及对VS的逆操作，就是对当前的视角做逆。

 

 总结：在效果上SSAO利用阴影使场景更加具有层次感，各种AO算法很多很多效率和效果也参差不齐。其实AO的本质很简单，就是在周围取点，然后计算点对像素的遮蔽影响。至于用何种算法，完全取决于场景的需要。AO有一个比较明显的缺点是，采样的规则无法实现随着场景的变化进行动态，这并不是因为参数的设置不能动态，而是后处理阶段你无法根据深度图和法线图来判断最好的方案。

 

效果：