GPU Gems 3 · Chapter 28. Practical Post-Process Depth of Field

先问：为什么镜头只让一段距离清楚

想象一张纸上有一排小人，镜头前后各放一个透明圆环。只有落在纸面上的光线会聚成一个小点，离开纸面的光线会在纸上摊成一圈；圈越大，轮廓越软。

本章要解决的问题是：已有一帧画面和每个位置的远近记录时，怎样让一段距离保持清楚，让前后景逐渐变软，同时把运算量控制在实时游戏可以接受的范围内。

没有这套安排，最直接的做法要么把场景重复渲染很多次，要么对每个像素做昂贵的随机邻域搜索；前者难接入旧引擎，后者会产生响铃边缘、前景轮廓仍然锐利等明显破绽。

1. 薄透镜把“清楚”变成一个半径问题

把镜头的焦距记作 f，光圈半径记作 d，物体距离记作 u。薄透镜几何告诉我们：物体在成像面前后偏离时，不再落成一点，而是形成直径为 c 的圆。实时实现不必精确模拟每条光线，但必须保留“离焦越远，圆越大”的单调关系。

焦平面上的 c 接近零，前景的 CoC 通常增长得更快，远景则有一个较明显的上界。这解释了为什么一个统一的模糊半径既不自然，也无法同时照顾近处物体和远处背景。

2. 先选择后处理路径，再决定要保留多少物理细节

景深可以用光线追踪、累积多次相机、分层合成、向前散射或向后聚合等方式实现。对于已经有颜色和深度输出的游戏引擎，基于 z-buffer 的图像处理更容易接入：它把场景绘制与景深处理分开，且深度图还能复用于软粒子和雾。

本章的实现选择“向后聚合”思路：每个目标像素从邻域取颜色，而不是把源像素散射到未知的目标位置。这样访问模式更适合纹理采样，也能在最后一个全屏 pass 里统一决定清晰、小模糊还是大模糊。

对于不允许把深度缓冲当纹理读取的旧硬件，可以在深度预通过程把世界空间距离写入 32 位浮点颜色目标。透明像素用 clip() 丢弃，后续阶段仍然读取同一份深度信息；这改变的是数据通道，不改变 CoC 和合成逻辑。

3. 近景 CoC 先下采样，再用平滑消掉硬边

完整的前半段可以拆成三个动作：先为前景像素计算 CoC，焦点和背景像素的近景 CoC 设为零；再同时缩小颜色与近景 CoC；最后在缩小的 CoC 图上做大范围平滑。按面积看，四分之一宽高意味着只处理十六分之一的像素。

高斯模糊的重点不是制造一个更大的颜色污渍，而是让 CoC 在边缘附近连续。实际实现可以把大半径拆成水平、垂直两个方向，并利用双线性过滤一次拿到相邻样本，从而把纹理读取成本压下来。

4. 用邻域最大值保护前景轮廓的连续性

近景物体和清晰背景交界处最容易露馅：如果只看当前像素，前景边缘可能只模糊一半，背景颜色还会穿过它。算法不必搜索所有邻居，而是用已经平滑的 CoC 估计附近半径，并在两侧选择更大的直径，再做一次小模糊。

这个修正是在质量和成本之间取舍。它不保证每个遮挡关系都像多层几何一样正确，却能把最刺眼的硬边、响铃和 90 度角不连续压下去。对实时第一人称游戏来说，连续的视觉感受往往比严格的物理可逆更重要。

动手走一遍：四个阶段组成可插拔的景深管线

5. 可变宽度模糊把成本集中在需要的像素

最终 pass 可以准备三档结果：原始或清晰图、小半径模糊图、大半径模糊图。对每个像素读取深度得到远景 CoC，同时读取经过修正的近景 CoC，取两者较大值，再把这个值映射到三档之间的权重。权重从一档平滑过渡到下一档，避免半径变化时出现亮度跳变。

half3 sharp = GetSmallBlurSample(texCoords);
half3 medium = tex2D(mediumSampler, texCoords).rgb;
half3 large = tex2D(largeSampler, texCoords).rgb;
half depth = tex2D(depthSampler, texCoords).r;
half nearCoc = tex2D(nearCocSampler, texCoords).r;
half farCoc = saturate(dofEqFar.x * depth + dofEqFar.y);
half coc = max(nearCoc, farCoc * dofEqFar.z);
 
half3 color = lerp(sharp, medium, smoothstep(0.0, smallRange, coc));
color = lerp(color, large, smoothstep(mediumRange, largeRange, coc));
return half4(color, coc);

这里的关键不是某一组常数，而是把近景和远景都纳入同一个连续的 CoC，且每次插值都保持颜色能量稳定。大半径越大，画面越像把整张屏幕涂开；所以最大半径应由目标物体尺寸、细节频率和平台预算共同决定。

6. 透明物体与大半径是必须显式接受的边界

透明表面通常会继承其后方第一个不透明物体的 CoC，玻璃、粒子和窗口边缘因此可能出现不一致。常见工程选择是先对不透明几何完成景深，再在后面单独画透明对象，或接受少量边界伪影换取更低的管线侵入。

先猜一猜：把“平滑 CoC”切换成“随机取样”，再把前景场景的焦点推远，哪个指标会先暴露问题？在 Lab 中一次改一个参数，观察前景 CoC、背景 CoC、最大模糊半径与伪影风险。

小结

• 焦平面附近 CoC 接近零，前景和背景离焦程度不同。
• 深度图让景深成为可插入现有引擎的后处理。
• 四分之一分辨率与高斯模糊承担大半径近景工作。
• 平滑并取邻域较大 CoC，能减少前景硬边和响铃。
• 最后一遍可变宽度合成，在质量、成本和透明边界之间取舍。

练习