GPU Gems 3 · Chapter 12. High-Quality Ambient Occlusion

先问：附近的表面挡住了多少“天空”

想象你站在一间没有明确主光源的房间里。墙角、台阶缝和物体贴合处会比平面更暗，但这种暗不是一盏灯照出来的硬影子，而是附近表面挡住环境光的结果。

本章要解决的是：如何在实时 GPU 上保留这种柔和的整体暗部，又不把接触细节抹平。如果只在顶点上算再插值，稀疏网格会出现条带；如果每个片元都直接套原始近似，圆盘边界和顶点附近又会翻车。

1. 环境光遮挡：把“附近遮住多少”变成可累加的贡献

环境光遮挡（AO）不追踪一条条完整光线，而是把模型表面拆成许多近似小圆盘。对 receiver 点来说，每个圆盘贡献一个“它能挡住多少天空”的量；所有贡献相加，再映射成可见度或暗部。它适合表现大范围的柔和变化，也能作为局部接触阴影的基础。

GPU 的工作可以分成两段：先用较粗的圆盘层次反复更新遮挡纹理，再在可见片元阶段查询这棵树。这样，远处大面积表面不必逐三角形处理，近处才逐步展开到更精细的几何。

2. 从 O(n²) 到自适应层次遍历

如果让每个 receiver 和每个表面元素配对，工作量近似是 O(n²)。做法是把相邻圆盘聚成 parent，再把 parent 聚成更大的 parent：远处用一个聚合圆盘就够，距离变近时才沿树向下。

这是一种 adaptive hierarchy：它不是“永远走到叶子”，而是把可接受的误差换成少量节点访问。理想情况下，层次遍历把配对工作压到接近 O(n log n)，但树的质量、遮挡分布和分支发散仍要用 profile 验证。

3. 为什么逐顶点与逐片元都会暴露伪影

原始方案把遮挡写在顶点上，再在线性插值后覆盖三角形。它在密且规则的网格上很快，但 contact shadow 这类高频细节无法从几个顶点值恢复。把 shader 移到片元阶段能减少插值条带，却会把近似圆盘的缺陷放大出来。

最典型的两类现象是：第一，树在“接受 parent”和“展开 children”之间发生离散切换，形成圆盘形的明暗边界；第二，receiver 接近顶点圆盘时，form factor 中的距离平方变得极小，单个圆盘贡献压过其他表面，形成 pinching。

在 transition zone 内保留 parent 的贡献，同时计算 children 的贡献，再按 receiver 到节点的距离混合。parent 的面积还要按 childArea / parentArea 调制，避免 parent 被每个 child 重复累加。

4. 用真实三角形找回接触细节

在层次树的最低层，圆盘已经不够准确。更稳健的做法是把圆盘放到三角形重心附近，然后对真实三角形计算 point-to-triangle 的 form factor。这里不能假设整个三角形都能被 receiver 看到：应该用 receiver 的位置与法线构造支持平面，先裁掉背后的部分。

裁剪时为每个顶点计算带符号距离，并用 epsilon 把“刚好落在平面上”的值归零。三个顶点的符号决定结果是空、完整三角形，还是由两个交点形成的可见四边形。这样做会增加分支和片元工作，却避免不可见面积被计入遮挡。

// 片段化的伪代码：先裁剪，再求可见三角形的贡献
float signedDistance(vec3 x, vec3 planePoint, vec3 planeNormal) {
  float d = dot(planeNormal, x - planePoint);
  return abs(d) < epsilon ? 0.0 : d;
}
 
for (int edge = 0; edge < 3; ++edge) {
  float a = signedDistance(v[edge], p, n);
  float b = signedDistance(v[(edge + 1) % 3], p, n);
  if ((a > 0.0) != (b > 0.0)) {
    visible.push_back(intersectPlane(v[edge], v[(edge + 1) % 3], a, b));
  }
}
occlusion += formFactor(visible) * pow(elementOcclusion, triangleAttenuation);

5. 让迭代稳定，并把“像不像”交给参数

层次 AO 用多次 pass 近似 visibility，但高遮挡场景可能在两个结果之间来回摆动。可以保存最近两次 disk occlusion，取偏向较小值的 weighted minimum，例如 0.7 * min(o0, o1) + 0.3 * max(o0, o1)，让结果更容易收敛，也抑制普遍偏黑的趋势。

距离衰减控制远处贡献：加大后，远处环境不容易把整间封闭房间压成黑色。三角衰减作用在最低层的真实三角形：较小的指数会强调裂缝和台阶，较大的指数会降低大而远的三角形影响。它们是画质与艺术效果的旋钮，不是“更接近真值”的分数。

6. 三步把近似变成可验收的 shader 路径

本章小结

• 环境光遮挡用附近表面的累计遮挡塑造柔和暗部与接触细节
• 层次圆盘让远处低频贡献少走节点，近处才展开到细节
• transition zone 消除 parent/children 切换的圆盘形断层
• visible-triangle clipping 避免把不可见面积计入 form factor
• weighted minimum 与两个衰减参数共同控制收敛、亮度和细节

float contribution = formFactor(triangle, receiver);
occlusion += contribution * elementOcclusion;