GPU Gems1 - 17 环境遮挡

环境光遮蔽（Ambient Occlusion）“AO”为Amblent Occlusion的缩写，中文译为环境光遮蔽。在DirectX 10.1 API推出后，Amblent Occlusion升级为SSAO（Screen-Space Ambient Occlusion:屏幕空间环境光遮蔽）；而在微软推出DirectX 11 API后，SSAO升级至HDAO(高解析度环境光遮蔽：High Definition Ambient Occlusion)。

我们有必要对AO（环境光遮蔽）的释义进行一个简单了解：AO是来描绘物体和物体相交或靠近的时候遮挡周围漫反射光线的效果，可以解决或改善漏光、飘和阴影不实等问题，解决或改善场景中缝隙、褶皱与墙角、角线以及细小物体等的表现不清晰问题，综合改善细节尤其是暗部阴影，增强空间的层次感、真实感，同时加强和改善画面明暗对比，增强画面的艺术性。可以说：

AO特效在直观上给我们玩家的感受主要体现在画面的明暗度上，未开启AO特效的画面光照稍亮一些；而开启AO特效之后，局部的细节画面尤其是暗部阴影会更加明显一些。

本章讲到了如何使用有效的实时环境光遮蔽技术，对物体遮蔽信息及环境进行预处理，综合这些因素给物体创建逼真的光照和阴影。本文大部分参考https://zhuanlan.zhihu.com/game-programming

1 概述

首先，本文中讲到，环境光遮蔽（Ambient Occlusion）一般而言有两种理解：

1）将环境光遮蔽视为“智能”的环境光项，其在模型表面的变化取决于在每点可见多少外部环境。

2）将环境光遮蔽视为一个漫反射项，其能有效地支持复杂分布的入射光线。

文中将考虑上述的第二种解释。

其基本思路是，假如预处理一个模型，计算它上面每个点可以看到多少外部环境，可以相反地计算有多少环境被模型的其他部分遮挡，然后在渲染时使用这个信息计算漫反射着色项的值。其结果是模型上的裂缝变暗，而模型的暴露部分会接收更多的光线，因此更明亮。这种效果实质上比使用标准的着色模型更逼真。

另外，这个方法可以扩展为使用环境光作为照明源，用代表各个方向入射光的环境贴图没来决定物体上每个点光的颜色。为了这个特性，除了记录在点上可以看到多少外部环境之外，也记录大部分可以光从哪个方向到达。这两个量有效地定义了从外面进入场景的未被遮挡的方向圆锥体，可以一起用来做为来自环境贴图的极端模糊的查询，模拟着色点上来自感兴趣的方向圆锥体的全部入射照度。

2 预处理步骤（The Preprocessing Step）

给定一个任意的着色模型，环境光遮蔽算法需要知道模型上每点的两个信息：

（1）该点的“可到达度（accessibility）”- 即该点上方半球的哪一部分未被模型的其他部分遮挡;

（2）未被遮挡的入射光的平均方向。

通过下图在平面上说明这两个概念。给定在表面上的点P，其法线为N，P点上半球的2/3被场景中其他几何体遮挡，半球另外的1/3不被遮挡。入射光的平均方向用B表示，其在法线N的右侧。大致来说，在P点的入射光的平均颜色，可以通过求围绕B矢量的未遮挡入射光的圆锥体的平均值得到。

下面贴出的伪代码显示了我们的基本方法。在每个三角形的中心，我们产生一组以表面法线为中心的半球形光线，跟踪每道光线进入场景，记录哪些光线与模型相交，标志不能从环境接收的光线，以及不被遮挡的光线。接着我们计算不被遮挡的光线的平均方向，这给出了入射光平均方向的近似值。（当然，我们计算的方向实际上可能会被遮挡，但我们选择忽略不计这个问题。）

Example 17-1 计算环境光遮蔽量的基本算法伪代码（Basic Algorithm for Computing Ambient Occlusion Quantities）

For each triangle {Compute center of triangleGenerate set of rays over the hemisphere thereVector avgUnoccluded = Vector(0, 0, 0);int numUnoccluded = 0;For each ray {If (ray doesn't intersect anything) {avgUnoccluded += ray.direction;++numUnoccluded;}}avgUnoccluded = normalize(avgUnoccluded);accessibility = numUnoccluded / numRays;}

生成这些光线的简单方法是使用拒绝采样法（rejection sampling）：检测在x，y和z为-1到1区间的3D立方体中随机生成的光线，并拒绝不在单位半球中与法线相关的光线。

能通过这次检测的光线方向可视分布理想的光线方向。列表17-2的伪代码表示出了此方法的实现思路。

当然，也可以用更复杂的蒙特卡洛（Monte Carlo）采样法来得到更好的样本方向的分布。

Example 17-2 使用拒绝采样法计算随机方向的算法伪代码（Algorithm for Computing
Random Directions with Rejection Sampling）

while (true) {x = RandomFloat(-1, 1); // random float between -1 and 1y = RandomFloat(-1, 1);z = RandomFloat(-1, 1);if (x * x + y * y + z * z > 1) continue; // ignore ones outside unit// sphereif (dot(Vector(x, y, z), N) < 0) continue; // ignore "down" dirsreturn normalize(Vector(x, y, z)); // success!}

另外，用图形硬件代替光线追踪软件，有可能加速遮挡信息的计算。