GPU Gems 1 · Chapter 23. Depth of Field: A Survey of Techniques

摄影中的景深让一段距离范围内的物体保持清晰，焦平面前后的物体则逐渐失焦。传统实时渲染使用理想 pinhole camera，镜头尺寸为零，每个像素只有一条光线路径，因此不会自然产生真实镜头的离焦圆。GPU 实现需要从颜色和深度证据中近似这种效果。

depth of field 的关键不是“模糊越多越好”，而是模糊半径随物体与 focus plane 的距离变化。光圈越大，离焦区域的影响越明显；焦平面移动时，最小 CoC 应跟着目标物体移动。

1. 从镜头模型得到 CoC

circle of confusion（CoC）是实时景深的桥梁。若 objectDistance 是相机到物体的距离，planeInFocus 是焦平面距离，aperture 是光圈参数，官方章节给出的近似关系可以写成：

float coc = abs(
  aperture * (focalLength * (objectDistance - planeInFocus)) /
  (objectDistance * (planeInFocus - focalLength))
);

工程上常把相机参数折叠成 scale 与 bias，直接从 z-buffer 得到：

float coc = abs(z * cocScale + cocBias);

这一步隐含了深度表示契约。z-buffer 可能是非线性的，near/far plane、projection matrix 和世界空间距离不能混用；如果焦点在很远处，浮点精度和深度不连续会直接影响 CoC。先用一条从近到远的深度 ramp 检查 CoC 曲线，再把它连接到颜色后处理。

2. 五类技术如何交换质量与速度

官方章节综述了五条路线：跨镜头表面分布 ray tracing、多相机 accumulation buffer、按深度分层、forward-mapped z-buffer，以及 reverse-mapped z-buffer。前两类更接近真实镜头但代价高；z-buffer 技术更适合当前 GPU 的实时后处理，因此工程讨论应集中在它们的 visibility 与伪影。

accumulation buffer 通过从不同镜头位置渲染多次，再混合结果近似 distributed ray tracing。CoC 面积越大，需要的 pass 越多；样本不足会在远近景出现 ghosting 或 banding，整数缓冲的精度也可能不足。它适合质量优先、可以接受非实时成本的路径。

layered depth of field 只在场景可以可靠分层时简单有效。每层独立保存可见物体，因此边缘 visibility 比直接 blur 一张全屏颜色图更可控；但一个物体跨越很大深度范围时，整层统一 blur 会出现内部不自然的焦散边界，层与层之间也可能藏入错误的遮挡。

3. z-buffer 后处理：从 CoC 到可变模糊

forward-mapped z-buffer 保存 color 与 depth，按每个源像素的 CoC 将颜色作为圆形 sprite 写回 frame buffer。为了减少前景模糊污染前景清晰物体，源像素只混合到比自己更远的邻域，最终还需要按 alpha 总和重新归一化。它适用于任意场景，但大量 sprite 和每像素最大 CoC 会迅速消耗预算。

reverse-mapped z-buffer 反过来让每个目标像素根据自己的 CoC 读取模糊图像。最简单的版本用 scene texture 的 mipmap；更高质量的版本预先生成多个 blur level，或用 summed-area table 查询更大范围。这个方法通常最快，却最容易在深度断点、bilinear magnification 和颜色 bleeding 处暴露近似限制。

float coc = abs(z * cocScale + cocBias);
float lod = saturate(coc * maxBlurMip);
float3 blurred = tex2Dlod(sceneColor, float4(uv, 0.0, lod)).rgb;
return float4(blurred, 1.0);

不要把这段伪代码当成完整发布 shader：真实实现要决定 mip 生成过滤、CoC 到 lod 的标定、前后景合成和 alpha 归一化。硬件自动生成 mipmap 通常更快，但三乘三或五乘五的 downsample 可以减少低级纹理的方块感；质量和带宽必须在目标 GPU 上测量。

4. 伪影诊断：先定位证据缺口

depth discontinuity 是最难看的问题之一：一个 z 值不足以说明前景模糊应该怎样覆盖中景。读取多个深度样本可以提供更多证据，但固定数量样本可能只产生一个半径固定、逐渐衰减的 halo；直接 blur depth 又会把锐利边缘模糊掉。实际产品往往通过额外 blur bias、限制焦平面位置、层分离或艺术遮罩规避最坏情况。

bilinear interpolation artifact 来自放大较小的 mip 或 blur texture。可以用 summed-area table、多个全尺寸 blur、按 CoC 抖动采样，或接受由 jitter 引入的细噪声来换取不出现爬行的方块图案。pixel bleeding 则是颜色图被无差别模糊：焦点内的颜色会错误渗到离焦区域，分对象渲染与分别合成只能缓解常见场景，不能成为通用可见性证明。

5. 动手实验：把摄影控制变成 GPU 参数

先预测四个变化：focus plane 接近某个物体时，该物体的 CoC 应下降；aperture 增大会扩大前景和背景 CoC；filter quality 降低可能出现 banding、jitter 或 pixel bleeding；depth edge 增大时，reverse z-buffer 的 artifact 指标应上升。

实验采用确定性的三层场景，目的是建立参数因果，而不是替代真实镜头渲染。发布前要在前景遮挡细线、焦平面远近切换、相机运动、透明物体、最大 CoC、mip 边界和不同分辨率下回归；同时记录每个算法的 pass 数、纹理带宽、最大半径和可接受伪影。

小结：景深是相机模型与可见性近似的协商

• depth of field 由 focus plane 和 aperture 共同决定，CoC 把镜头距离转成每像素的 blur 规模。
• ray tracing 与 accumulation buffer 更接近真实 visibility，但可能不可实时；layered 方法简单却依赖场景可分层。
• forward-mapped z-buffer 以 sprite 传播源像素，reverse-mapped z-buffer 以 z 选择模糊纹理；后者通常更适合实时后处理。
• depth discontinuity、bilinear interpolation 和 pixel bleeding 是证据不足的表现，应通过深度样本、过滤、jitter、layer mask 或场景约束处理。
• 没有单一算法满足所有质量与速度要求，发布选择必须和最大 CoC、样本预算及回归场景一起记录。