GPU Gems 3 · Chapter 13. Volumetric Light Scattering as a Post-Process

先把“空气里的光”想成一张图像上的柔软笔刷

现实中的光不会只在物体表面停住；空气里的微粒会让光在传播途中散开，背光物体就像在空中切出一束束可见的亮线。实时渲染若要逐体素追踪这种传播，交互场景很快会承受不起。

本章解决的问题是：能不能只拿已有的场景图像，在屏幕上沿着每个像素指向光源的方向取样，近似出带遮挡的光束？这样无需为每个动画物体预建体积，但也必须接受屏幕空间近似带来的漏光、条纹和边缘问题。

1. 空气不是透明背景：散射和遮挡一起决定光束

在 participating media 中，观察者看到的不只是物体反射的光，还包括光在视线附近被散射进来的那一部分。对太阳或明亮天空来说，遮挡物会减少从光源到当前像素的有效照明；我们的后处理只需要估算这种减少的比例。

当许多散射光沿着太阳方向形成扇形亮束时，它们常被称为 crepuscular rays。本章的关键取舍是：把复杂的空气传播压缩成一张 source image，再把光束作为 additive post-process 叠回场景。

2. 屏幕空间射线：用一条向量替代体积积分

后处理先把世界空间的光源通过 world-view-project 变换投到屏幕，得到 ScreenLightPos。对每个像素，计算它和光源之间的差，再除以样本数并乘上 density，得到每一步的 deltaTexCoord。连续沿这个方向读 source image，就形成一条从像素“走向光源”的二维射线。

这里的样本不是完整的空间点：它只知道屏幕坐标，不知道被屏幕外的建筑遮挡，也不知道前后景的真实体积关系。因此它最适合明亮 emissive region 对比暗色 occluder 的场景；当 source image 的纹理比光照更强时，纹理变化也会被误读成光束。

每次累加可以同时乘上 weight 和 decay^i，最后再乘 exposure。weight 调单个样本的存在感，decay 让远离光源的样本逐步变弱，exposure 则是整个后处理的最终亮度旋钮。

3. 后处理像素着色器：每个样本做同一件小事

核心循环不需要知道场景几何，只需要维护当前纹理坐标、采样颜色和一个逐步衰减的 illumination factor。现代 WebGL2/GLSL 可以把它写成下面的等价伪代码：

vec2 delta = (texCoord - screenLightPos) * density / float(sampleCount);
vec3 color = texture(frameSampler, texCoord).rgb;
float illuminationDecay = 1.0;
 
for (int i = 0; i < sampleCount; ++i) {
  texCoord -= delta;
  vec3 sampleColor = texture(frameSampler, texCoord).rgb;
  sampleColor *= illuminationDecay * weight;
  color += sampleColor;
  illuminationDecay *= decay;
}
 
return vec4(color * exposure, 1.0);

这段逻辑的优点是适用于任意动画图像、半透明物体和多个光源：每个光源都可以执行一次 screen-space pass，再做 additive blend。代价则是纹理读取数随 sampleCount 增长，低分辨率或低样本时还会出现规则条带。

4. 先处理遮挡，再让光束叠加

最直接的 occlusion pre-pass 是先用黑色、无纹理材质绘制遮挡物，再用这张 buffer 生成光束，最后把普通着色场景和光束结果合成。这样做不需要额外的几何体积，也能把建筑的颜色纹理从遮挡判断里剥离。

如果管线已有 stencil 或 alpha 位，可以在绘制 emissive region 时设位，在绘制遮挡物时不设位，后处理只让带位的样本参与 additive blend。无法改 source buffer 时，降低纹理对比度、使用雾和 aerial perspective，或让光束朝屏幕边缘和垂直方向 fade，也能压低错误条纹。

5. 屏幕空间近似的边界与工程预算

当遮挡物穿过屏幕边缘时，射线会突然读不到屏幕外的样本，于是光束闪烁；扩大可渲染区域形成 guard band 可以增加可寻址范围。近光源还可能出现背景光束穿到前景物体前面的错觉，这是因为后处理缺少完整的深度排序。光源接近屏幕的垂直方向时，投影位置趋向无穷，应该 clamp 到 guard-band 或逐渐 fade。

降低 source image 分辨率可以减少带宽；配合 bilinear filtering 能缓解块状采样，stochastic sampling 则能打散低样本时的规则条纹。多光源意味着多个 additive pass，因此应先用 GPU profile 观察纹理读取、片元数量和合成次数，再决定样本数与分辨率。

6. 三步把效果变成可调的后处理路径

本章小结

• 后处理用屏幕空间射线近似空气中的体积光散射
• samples 与 density 决定射线覆盖和采样成本
• decay 控制沿光路的衰减，weight/exposure 控制亮度层级
• pre-pass 或 stencil 把遮挡和材质纹理分开
• guard band、filter 与 profile 处理屏幕边界和带宽取舍

vec3 color = texture(frameSampler, texCoord).rgb;
for (int i = 0; i < sampleCount; ++i) {
  texCoord -= delta;
  color += texture(frameSampler, texCoord).rgb * weight;
}