GPU Gems 1 · Chapter 17. Ambient Occlusion

GPU Gems 1 第 17 章讨论 Ambient Occlusion：它不追求求解完整的全局光照，而是估计一个表面点周围的环境光有多少能够到达。缝隙、接触面和褶皱通常挡住更多方向，因此会自然变暗；这个额外的接触线索能让只靠 diffuse 的模型不再显得漂浮。

ambient occlusion 的输出可以记为 A(p)：A(p) 越接近 0，说明 p 周围的半球越封闭；越接近 1，说明环境光更容易从各方向到达。常见做法是让 ambient 项乘以 A(p)，或只让它调制 diffuse 中的环境部分，而不是覆盖整个最终颜色。

1. 从可达半球得到一个标量

对表面点 p，法线 n 定义了朝向外侧的半球。向半球内发射 N 条射线，统计没有命中几何体的方向，就能得到一个可解释的近似：

hemisphere sampling 的采样分布影响质量：均匀随机方向容易有噪声，分层、低差异序列或预计算方向集更容易获得稳定的屏幕结果。采样半径也必须和模型尺度或当前像素的 view-space 深度一致，否则同一套参数在近景和远景会产生不同的接触范围。

上图中命中凸起的射线是 blocked，没有命中的射线是 open。这个定义使 AO 具有单调性：附近几何越多，A(p) 越低；但它仍是局部可见性统计，不能告诉我们遮挡物材质、光源颜色或多次反射的结果。

2. object-space AO：把昂贵的 ray test 放到预处理

object-space ambient occlusion 直接在物体空间为每个顶点、纹理 texel 或采样点发射射线。将未遮挡比例烘焙后，可以把它存成 AO texture 或顶点属性，在实时 shading 中低成本读取。

一个面向静态资产的预处理流程如下：

1. 为采样点构造以 n 为轴的切线空间半球，并把每个方向变换到 object space。
2. 对每个方向执行 ray intersection；命中模型内部或邻近几何时，把该方向记为 blocked。
3. 对 open 数量归一化，按 UV texel 或顶点写入 A(p)，并用 dilation 修补栅格边缘的空洞。
4. 在材质中将 AO 乘到环境项；需要动画时，确认烘焙结果与蒙皮、形变和相邻物体仍然成立。

它能看到屏幕外的几何，结果也不会随相机移动而闪烁，适合静态建筑、道具和不变拓扑。代价是资产更新需要重新烘焙；动态遮挡物、可变形褶皱和灯光方向变化不会被这张静态图自动反映。AO 贴图的 UV 缝、分辨率和颜色空间也要纳入内容管线，否则接缝会比它解决的接触问题更显眼。

3. screen-space AO：从深度重建邻域

screen-space 方法把计算移到每帧的屏幕像素。首先从 depth buffer 读取当前像素的深度，再用投影矩阵的逆变换得到 view-space 点；法线可以来自 G-buffer，也可以从相邻 view-space 点的叉积近似。随后沿法线半球选择屏幕邻域样本，将样本位置投影回屏幕，读取样本深度并与预期深度比较。

vec3 p = reconstructViewPosition(uv, depth);
vec3 n = decodeOrReconstructNormal(uv);
float blocked = 0.0;
 
for (int i = 0; i < SAMPLE_COUNT; ++i) {
  vec3 q = p + tangentHemisphere(i, n) * radius;
  vec2 sampleUv = projectToScreen(q);
  float zSample = texture(depthTex, sampleUv).r;
  float delta = viewDepth(zSample) - q.z;
  blocked += step(bias, delta) * validScreenSample(sampleUv);
}
 
float ao = 1.0 - blocked / float(SAMPLE_COUNT);
ambient *= ao;

view-space reconstruction 的关键是统一深度约定：投影后的非线性 depth 不能直接与线性 view-space z 相减。样本还要检查屏幕边界、前后方向与深度范围；否则边界的背景值会被当成无遮挡，产生亮边。

screen-space AO 的优势是适应动态物体、无需离线烘焙，并且可以在后处理或 deferred pipeline 中复用已有 depth。它的边界也很具体：屏幕外的墙不会被采到，被前景遮住的遮挡物不会进入 buffer，低分辨率 depth 会把细缝量化掉，相机移动时固定的随机旋转还可能产生闪烁。发布前应分别测试镜头运动、角色动画、屏幕边缘和物体尺度变化。

4. 参数与伪影：把质量预算写出来

depth bias 只应略大于重建误差。radius 决定遮挡影响的空间范围：小半径能保留接触细节，大半径会把不同物体之间的距离也混进来。sample count 决定统计方差；少量样本便宜但容易噪声，多样本更稳却增加纹理读取和 ALU 成本。

常见伪影可以按原因排查：

• acne：bias 太小、深度精度不足或法线重建有误；先验证线性深度和法线方向。
• halo：radius 太大，或者深度边界没有做 thickness、normal 或邻域一致性判断；减小半径并把接触与远距离遮挡分开。
• 漏光：遮挡物在屏幕外、被前景隐藏或 bias 太大；物体空间 AO、额外深度层或混合方案可以补足它。
• 噪声与闪烁：样本太少或每帧随机旋转没有时序处理；使用低差异方向、旋转噪声的时序重投影和适度 blur，但要防止把 contact cue 抹平。

AO 最好作为小幅度的环境项调制，并保留 artist 可控的强度和距离衰减。若把 AO 强度推到纯黑来“修”建模问题，最终会把接触线索变成不自然的污渍；可解释的半径、bias 和强度更容易随相机、分辨率和平台变化进行校准。

5. 动手实验：先预测，再调参数

先预测三个变化：把 radius 拉大，接触阴影会扩大但 halo 风险也会上升；把 bias 拉大，acne 会减少但近距离遮挡会漏掉；把 samples 降到很低，静态画面会出现颗粒或带状变化。再切换 object-space 和 screen-space，观察屏幕外遮挡物为何只能在前者中保留。

这个实验用确定性的示意数据表达参数关系，不是替代 GPU profile 的真实性能测量。它把一个发布检查拆成四项：接触范围是否可信，深度比较是否稳定，屏幕边缘是否出现 halo，以及在目标帧预算内是否有足够的 samples。

小结：用局部可见性补足接触线索

• ambient occlusion 估计半球环境光的可达性，A(p) 越小表示附近几何越封闭。
• object-space AO 可以预计算并看到屏幕外几何，适合静态或拓扑稳定的资产，但动态遮挡不会自动更新。
• screen-space AO 从 depth buffer 重建 view-space 邻域，适合动态场景，却受屏幕外、深度分辨率和边界伪影限制。
• radius、sample count 与 depth bias 必须一起调；提升其中一个维度不能自动修复另一个维度的错误。
• AO 应以可解释的小幅度调制 ambient 或 diffuse，而不是代替直接光、阴影或完整全局光照。