GPU Gems 1 · Chapter 21. Real-Time Glow

光晕和 halo 是强光源的视觉证据：屏幕和印刷品的动态范围有限，周围扩散的亮度会让观察者相信中心光源比普通表面更强。真实世界中的 glow 来自大气或眼内散射；实时渲染可以用屏幕空间后处理近似这种线索，既增强写实感，也能塑造科幻、雾气和高能量场景的风格。

real-time glow 的核心是额外的图像通道，而不是修改原物体的几何轮廓。正常场景照常渲染，source pass 只写发光 RGB 与 mask；后续 blur 扩散亮度，最后使用 additive alpha blending 把 aura 加回 back buffer。

1. source pass：决定什么会发光

glow source mask 可以由整件物体、材质属性、对象 flag 或纹理局部区域决定。一个适合资产管线的做法是复用 diffuse texture 的 alpha：正常渲染使用 RGB，glow pass 使用 RGB × alpha。alpha 为零处不产生 source，逐渐增大时同时提高源光颜色与强度。

source texture 通常写入 off-screen render target。可以重新渲染整个场景，让非发光对象变黑；也可以把 glow mask 写入普通 back buffer 的 alpha，再用一次 copy 或 StretchRect 复制并降采样到 source target。后一种方式避免复杂场景的第二次几何渲染，但要确认 back buffer alpha 不会影响正常颜色路径。

source 的 RGB 与亮度直接决定 glow 的颜色和能量，顶点、对象或时间参数可以再乘一个强度来做动画。source pass 若需要单独 fog，也应把它作为“只影响 glow”的艺术控制写清楚：黑 fog 会压低远景 source，能减弱低分辨率带来的闪烁，但也会让远景物体不再发光。

2. neighbor sampling 与屏幕空间卷积

neighbor sampling 不把纹理坐标设为像素自身的单点，而是让每个 sampler 取不同 texel offset。对每个邻居乘以权重并累加，就得到一个局部 convolution；输入是全屏矩形，输出是 render-target texture。

float4 BlurRow(float2 uv, float2 texel, sampler2D source) {
  float4 sum = 0.0;
  sum += tex2D(source, uv - 3.0 * texel.xx) * weight0;
  sum += tex2D(source, uv - 1.0 * texel.xx) * weight1;
  sum += tex2D(source, uv) * weight2;
  sum += tex2D(source, uv + 1.0 * texel.xx) * weight3;
  sum += tex2D(source, uv + 3.0 * texel.xx) * weight4;
  return sum;
}

如果直接使用直径 d 的二维 kernel，读取数量近似与 d 的平方成正比。对于 50×50 的 blur，每个输出像素可能需要约 2500 个 texel reads；对可分离的近似，先沿水平方向得到 intermediate texture，再沿垂直方向读取它，只需要约 50 加 50 次读取。

separable convolution 不要求最终二维形状严格等于某个 Gaussian。只要两条一维 profile 的组合产生合适的宽底、中心 spike 或 diffraction-like 形状，就能用两次一维处理替代昂贵的二维采样。

实际管线通常是：source target → horizontal blur target → vertical blur target → back buffer。每次 render-to-texture 都要确认输入和输出不是同一 surface，避免读写冲突；半径扩大时，可以通过更低分辨率、较少采样、预合并权重或多次小 blur 维持帧预算。

3. render target 分辨率、texel 坐标与 aliasing

blur 结果主要是低频特征，因此 glow source 和 intermediate target 可以使用全屏三分之一或四分之一的分辨率，以减少填充和带宽。降低分辨率也会自然扩大光晕的屏幕覆盖范围；但 source 本身的 aliasing 会被 blur 扩散，形成运动中的闪烁。

对策应按成本排序：使用硬件 bilinear 过滤下采样 source，保留足够的 source resolution，给远景 source 添加仅用于 glow 的黑 fog，或让艺术家降低细线 source 的强度。不能只把 blur radius 拉大来掩盖 aliasing，因为这会同时增加 halo 和带宽。

在 Direct3D 风格的 texel corner 约定中，采样精确 texel center 需要加 half-texel offset；OpenGL 的坐标约定不同。跨 API 或工具链共享全屏 quad 时，应准备一张单像素网格测试图，检查水平、垂直和对角线 offset 是否落在预期 texel 中。

4. additive blend 与材质控制

additive alpha blending 是最终合成的简单路径：scene 保留真实物体细节，glow texture 只贡献额外亮度。source RGB 决定色相，source alpha 或独立强度决定贡献；强光材质可以用宽底 profile，霓虹边缘可以叠加更窄的 spike。

source mask 也可以来自 render style table：正常 context 使用原始材质，glow context 使用 artist 指定的发光样式。这样同一件模型的不同部位可以有不同颜色和亮度，而不必拆出新的几何。若屏幕效果要模拟玻璃、镜头或皮肤，则仍要说明 glow 只是后处理近似，并结合 scene depth、mask 或其他通道防止穿透不该发光的物体。

5. after-image、fog 与参数动画

after-image 可以让移动物体的 glow 逐帧淡出，隐藏 source aliasing，并制造速度、醉态或濒死等风格。稳定做法是保存 blur 前的 source，下一帧使用 current + previous × decay；decay 大，拖尾短；decay 小，拖尾长。

不要递归地无条件累加上一帧的最终 glow。因为最终 glow 已经扩散，继续把它作为 source 会让光晕每帧向外扩张；如果权重不足以衰减，系统会逐渐饱和。替代方案可以省掉 source buffer，但必须给 previous glow 设置严格的衰减和亮度上限。

source-only fog 是另一个艺术和工程控制：远处细线在低分辨率 target 中更容易抖动，把远景压成黑色会减少 aliasing，代价是远景 glow 被削弱。blend weight、fog color 和 decay 也可以随时间 ramp，做脉冲或不稳定的氛围，但所有参数动画都应避免突然跨越造成可见跳变。

6. 动手实验：找出 glow 的视觉与成本平衡

先预测五个变化：brightness 增大只应增强源和 halo；blur radius 增大会拓宽 aura 并增加读取；source resolution 降低会节省成本却提高 shimmer；decay 降低会拉长拖尾；fog 增大能压制远景 aliasing 但让远处光源消失。

这个实验用确定性的示意光源表达参数关系，不替代真实 GPU pass profile。发布前要在目标分辨率、相机运动、细线几何、远景灯光、HDR 或 LDR framebuffer、不同 blend weight 下检查：source 是否准确、halo 是否溢出、运动是否闪烁、after-image 是否失控、额外 render target 和带宽是否可接受。

小结：用两个一维 blur 做出可控的光晕

• real-time glow 先隔离 glow source，再把它作为屏幕空间图像处理；不要直接 blur 整个场景。
• glow source mask 可由对象、材质 alpha、render context 和亮度控制，RGB 决定颜色，alpha 决定区域与强度。
• neighbor sampling 把固定偏移的 texel 送入 shader，separable convolution 将二维 d² 读取降为水平与垂直两次约 2d。
• 低分辨率 render target 能省成本并放大光晕，但会放大 source aliasing；需要下采样过滤、fog 和分辨率之间的取舍。
• additive alpha blending 负责合成，after-image 负责时间拖尾；任何时间反馈都必须有衰减和亮度上限。