GPU Gems 3 · Chapter 21. True Impostors

先问：为什么远处的复杂物体不必都变成多边形

想象一片塞满细节的远景：如果每个物体都用完整模型绘制，屏幕上真正看见的只是很多小区域，却要为看不见的细节提交大量形状。我们需要一扇轻薄的“窗口”，让每个可见小方块只为自己负责的那一条观察路径付费。

本章解决的是：怎样把物体的厚度与表面信息放进普通图片的通道里，再在 GPU 上按像素找出真正的表面。没有这条路径，远景实例会被顶点处理拖慢；只存一张静态图片，又会在视角变化时露馅。

1. 把复杂物体变成一扇会转身的窗

传统 impostor 把某个视角拍成一张图片贴到矩形卡片上；相机一转，图片仍然是平的，轮廓和遮挡很快就不对。true impostor 保留卡片的低几何成本，却不把颜色预先烤死：卡片只提供观察窗口，片元阶段沿每个像素的视线去查询物体的体积表示。

关键动作是让卡片绕中心转向相机。这样同一套 UV 和体积数据可以面对任意观察方向，最终颜色由当前视线与体积的交点决定，而不是由某一张固定截图决定。

2. 让一张纹理保存一段厚度

普通纹理只有 u 和 v 两个坐标，但一个像素有四个通道。把 R、G、B、A 看成沿第三个方向排列的四个深度函数，就能让一张 RGBA 纹理表达多个表面层；需要更复杂的形状时，再增加纹理数据即可。

顶点把 UV 平移到卡片中心附近，并把一个额外的深度分量从中心开始建立。卡片旋转时，纹理坐标和几何位置使用同一个中心，因此纹理体积也跟着卡片一起转。它不是把二维图片“变成真的网格”，而是把每个片元的查询空间扩展成一条可采样的深度轴。

3. 沿每个像素的观察路径找第一次相交

光栅化会把卡片顶点携带的 UV 和方向插值到每个片元。片元拿到一条 view ray 后，沿它在纹理坐标空间中前进：每一步读取高度场，判断当前点是否已经进入体积。第一次跨过表面时，保存当前点和前一个点，得到一个“命中区间”。

这一步适合 GPU，因为所有像素都可以执行相似的固定次数循环。没有命中的射线也会走完预算，换来的好处是分支发散更少；真正要控制的是每个片元的读取次数，以及卡片在屏幕上覆盖了多少像素。

4. 用二分搜索把命中点收窄

固定步长只告诉我们“表面落在这两个样本之间”，直接使用前一个点会出现边缘抖动和厚度误差。二分搜索把这个区间取中点，重新检查中点在哪一侧，再保留正确半区；重复几次后，命中位置就足够稳定，可以用来采颜色和法线。

GPU 实现通常不会因为提前命中就立刻退出循环：固定迭代次数更容易保持吞吐。因此步进次数负责找到区间，细化次数负责在区间内提高位置精度，两者是不同的预算旋钮。

5. 透明材质让射线继续穿过体积

不透明表面在第一次命中后就可以着色并结束查询。透明对象不能这样做：命中点的法线需要参与折射，折射后的新方向还要继续寻找后续表面。把射线在各层之间走过的距离累加起来，就能用一个局部近似表达体积的透光程度。

这一扩展仍然复用同一组高度场，只是把“第一次命中”改成“命中后更新方向并继续”。因此它的纹理读取会增加，但不需要把每个透明物体重新膨胀成大量多边形。

6. 规模化时，瓶颈从顶点转到片元

这套方法的细节等级天然由屏幕占用决定：远处卡片只覆盖少量片元，就只支付少量搜索；近处卡片覆盖更多像素，片元阶段的步进和纹理读取成为主要成本。原书的核心取舍不是“永远比多边形快”，而是用可预测的填充率预算换取一次绘制大量简单实例的能力。

卡片还可能遮挡邻居。多个实例重叠时，CPU 端深度排序可以减少不必要的 overdraw；不排序时，即使最后的颜色被丢弃，前面的片元搜索仍然已经付出了成本。透明路径更需要谨慎，因为它不能简单用第一次深度命中结束。

7. 把卡片、搜索和着色串成一个片元循环

float4 ShadeTrueImpostor(float2 uv, float3 ray, Texture2D volume) {
  float depth = 0.0;
  float previous = 0.0;
  bool bracketed = false;
  for (int i = 0; i < MARCH_STEPS; ++i) {
    float4 heights = volume.SampleLevel(linearSampler, uv, 0.0);
    float surface = selectHeight(heights, depth);
    if (rayInsideVolume(ray, depth, surface)) {
      bracketed = true;
      break;
    }
    previous = depth;
    depth += STEP_SIZE;
  }
  if (!bracketed) return discardPixel();
  float hit = refineBinary(previous, depth, uv, volume);
  return shadeAtHit(uv, hit, ray);
}

代码中的 MARCH_STEPS 负责找到命中区间，refineBinary 负责提高命中位置精度。若材质需要透明或折射，shadeAtHit 之后不能直接结束，而是要更新 ray、累计穿透距离，再开始下一段搜索。

本章小结

• true impostor 用低成本卡片承载可查询的体积
• RGBA 通道可以保存多个高度场层
• ray marching 先找区间，binary search 再收窄交点
• 透明材质要折射并继续穿过后续表面
• 规模化实例的成本主要落在片元、读取和 overdraw