Games202-lecture9-全局光照（屏幕空间）

大纲

这一节课主要是把”屏幕空间的方向性遮挡”和”屏幕空间反射”讲完。

屏幕空间的方向性遮挡（Screen Space Directional Occlusion）

回忆一下SSAO

假设了深度深浅来代替是否被环境光遮挡

引入SSDO

SSDO是SSAO的加强版，类似RSM，被点亮的地方会作为次级光源照亮其它区域

SSDO的间接光来自于相机（屏幕），RSM是来自于Shadow Map

SSDO的做法

类似于Path Tracing，在着色点随机发射一条射线，打到遮挡物就是反射过来间接光，没有打到遮挡物就是用直接光照亮。

对比SSAO和SSDO，SSAO假设环境光来自无限远，SSDO假设间接光来自近处（判断遮挡会设置一个距离的阈值）。

SSDO的数学原理，把光照分为两种情况进行计算：对非遮挡（V=1）情况计算直接光照，对遮挡物体（V=0）计算间接光照

在Shading Point考虑法线方向的半球，与SSAO一样用从相机的深度来判断哪些点被遮挡（ABD点）和哪一些点可见（C点），然后用不可见点（对应在屏幕上的点，即屏幕表面的点）计算间接光照，用可见点（也是对应屏幕上的点）计算直接光照，然后把光照累加起来就行了。

当然，也会出现与SSAO相同的问题，即从相机的深度判断容易出现误判（第三张图的A点本来应该被P点可见，B点不应该被P可见），最正确当然是从点P渲染一张ShadowMap来判断，但是这样带来的开销太大了。

SSDO的问题

GI只存在于短距离，可见性的考虑不准，只能解决在屏幕范围内的GI

屏幕空间的反射（Screen Space Reflection）

SSR是解决GI的一种方式（主要是解决间接光镜面反射的问题），可以理解为屏幕空间的光线追踪，但是不是与几何物体求交

观察到现实中镜面反射大部分内容来自于已经在屏幕中存在的内容，这样只需要考虑对屏幕空间的内容来做反射，这样相对于光线追踪可以节省计算量

SSR也可以做Glossy的反射，但是这样可能反射的光线需要多根，计算量变大了。所以一般SSR只用来做镜面反射，这样高端的移动设备也能开启SSR。

SSR的做法

大致的思路，从ShadingPoint发出一根光线，沿着光线方向与屏幕像素求交，最后用交点的颜色作为反射的颜色

需要延迟渲染的内容，法线、深度以及直接着色后的颜色Buffer

光线步进的做法，有一个着色点和一个反射方向，沿着反射方向每次增加一定距离，直到这个点超过了深度图上的值（用深度图作为可见性判断，如果没有在屏幕上的信息可能会计算错），用对应深度图的交点作为实际反射的交点。

加速RayMarch

步长太长可能不准，太短又可能要进行很多次，所以要用动态决定步长来加快RayMarch的速度。

预计算，把Depth做Mipmap，用最小的深度作为下一层的深度值。这个相当于是Hierarchy Z的图（HIZ需要的数据）

原理：如果光线与高层（粗粒度）的值不相交，则一定不会与更细粒度的值相交。

伪代码，如果没有交点就增加层级，如果有交点后就减少层级求交

示例：

有一个问题：当起点不是2幂次时，mipmap不能查询，所以要么先步进到2的幂次，要么用层间的混合值

SSR的着色

用反射到的ShadingPoint颜色作为可以出射的Radiance，然后积分起来（镜面反射一般只考虑反射方向）

思考：

问题1：没有距离衰减，因为不是从光源反着采样积分

问题2：次级光源的可见性是考虑了的，因为是Tacing出来的，肯定不会有遮挡

SSR的现象

我这里认为以下现象一般都不会在游戏里面看到，因为游戏里面一般SSR都是用来做镜面反射的，一般来说都只Trace一根光线，而且应该都是反射方向（非BRDF重要性采样，当然如果TAA下应该用采样更接近正确效果）

现象1：如果准确考虑BRDF，那么specular反射是锐利的，diffude反射是模糊的

现象2：如果准确考虑BRDF，越近越清楚，越远越模糊

现象3：如果准确考虑了BRDF，法线分布是椭圆，那么会出现雨天车灯长条的效果（各向同性）

现象4：每个像素的粗糙度和法线不一样，粒度是像素

SSR的提高

可以用BRDF（NDF）来做重要性采样

复用交点，可以增加Sample数量：比如说每个ShadingPoint出射一个光线，但是ShadingPoint可以用隔壁ShadingPoint的交点的信息加进来，权重用BRDF快速算出来。

可以Filter 直接光Shading的Color值(但是深度怎么Filter)，然后用一次采样来代替多次采样

SSR总结

好处：性能好，效果好，遮挡效果准确

坏处：diffuse的情况效率低，缺少不在屏幕的信息

引用

Games202-Lecture9-实时全局光照(屏幕空间)