SSAO、半球采样与环境光遮蔽边界

为什么墙角总是更暗

留意一下你周围：墙的两面相交的那道角、桌子底下、书页合拢的缝里、两个物体挨在一起的接触处——这些地方总是比旁边的平面更暗一点。不是因为有谁专门给它们打了阴影，而是因为它们三面被围住，四面八方漫射过来的光被周围的东西挡掉了大半，能照进去的自然少。

可你之前给场景加的环境光，是给所有表面统一加一个常数——墙角和空旷的平面拿到的环境光一模一样。结果墙角缝隙和平整墙面一样亮，画面就塌成一片、没有立体感、一眼假。越是该有「脏角、暗缝」的地方越平，越不像真东西。

这一章要解决的就是这个：怎么让那些被周围挡住的角落、缝隙、接触处，自动地暗下去。没有它，环境光是张「平贴的均匀漆」；有了它，画面立刻多出一层接触阴影的脏旧感和厚重感——这正是真实世界里光的样子。

环境光遮蔽：被挡住的地方该更暗

先给那个「墙角更暗」的现象起个正名。它叫 环境光遮蔽（ambient occlusion，AO）：描述一个表面点能接收到多少四面八方漫射来的环境光。开阔处几乎没遮挡、收得满、该亮；墙角缝隙被围住、收得少、该暗。

所以 AO 本质是个 0~1 的系数——1 表示完全不被挡（开阔），0 表示被挡死（深缝）。算出每个点的 AO，乘到环境光上，墙角缝隙就自动暗下去了。难点只有一个：怎么知道一个点被周围挡了多少？严格算要看它周围真实的几何，太贵。

屏幕空间 SSAO：不算真几何，借 G-buffer 近似

实时里我们用一个聪明的近似——SSAO（screen-space ambient occlusion，屏幕空间环境光遮蔽）。它不去遍历场景的真实几何，而是直接用延迟着色那章存好的 G-buffer——里面每个屏幕像素都记着它对应表面点的位置和法线。

有了这两样，SSAO 就能在屏幕空间里近似判断「这个片元周围被实体挡了多少」，全程不碰真几何，又快又能直接塞进延迟管线。这也是它名字里「屏幕空间」的由来。它的代价也来自这里：屏幕外、相机背后或被当前可见表面挡住的几何没有 G-buffer 记录，不能参与遮蔽判断，所以 SSAO 是高效的局部近似，不是全局 AO。具体怎么近似？分两步：在片元法线半球内撒点，再用深度比较判断每个点有没有被挡。

半球核采样：在法线半球里撒点，看几个被挡

第一步是 半球核采样（hemisphere kernel）。以当前片元为中心，在它法线 N 朝向的半球内取一组随机偏移向量（这组向量就叫采样核，常 16~64 个），加到片元位置上得到若干采样点。下面这张图把它画清楚：

数有多少采样点落进了周围几何里——挡得越多，这片元被围得越严、能收的环境光越少、就该越暗。注意是 半球不是整球：如果用整球，朝向表面背面的采样点永远在几何内部，会让一面平整的墙也凭空变暗（这是后面要讲的一个坑）。限制在法线半球内，才只采到表面上方那一侧有意义的空间。

深度比较：怎么判断一个采样点被挡了

第二步，怎么知道某个采样点「落进几何里」了？靠深度比较（depth comparison）：把这个采样点投影到屏幕，读出 G-buffer 在那个屏幕位置存的真实表面深度 D，再比一比深浅。

如果采样点自己比 D 离相机更远，说明它正藏在那处真实表面的后面、被前面的实体挡住了——遮蔽 +1；如果它比 D 更近，说明它前面是空的、没东西挡——不计。逐个采样点这样比、累加被挡的个数，就得到这片元的遮蔽程度。关键是：整个判断只读 G-buffer 已存的深度、不重算几何，所以快——这正是「屏幕空间」省钱的地方。

随机旋转 + 模糊：把丑陋的条带换成干净 AO

直接这么做会有个难看的副作用。为了快，采样核只能取很少几个点（16~64），且整屏用同一套固定方向——结果 AO 上爬满规则的条带（banding），像水波纹一样刺眼。修法是两步配合：

第一步，随机旋转 noise（random rotation）：用一张很小的随机向量纹理（如 4×4）平铺整屏，逐像素把采样核绕法线转一个随机角度。相邻像素采样方向就各不相同，规则条带被打散成细碎噪点。

第二步，AO 模糊（AO blur）：算完 SSAO 后，把 AO 灰度图过一道很小的盒式模糊（如 4×4 邻域取平均），把噪点抹平成柔和连续的 AO，再拿去乘环境光。下面这张图把「条带 → 噪点 → 干净」三态并排：

随机旋转负责把条带打散成噪点，模糊负责把噪点抹平——两步缺一不可。只旋转不模糊，画面是颗粒；只模糊不旋转，规则条带糊不掉。

范围检查：别让远处的背景误暗

还有一个必须做的修正。深度比较只看「采样点是不是比那处表面更远」，但有个陷阱：如果那处表面是很远的背景（比如片元在物体边缘，旁边就是几米外的墙），深度差巨大——按规则它也会被算成「被挡」，于是物体边缘凭空多一圈黑边、黑晕。

修法叫 范围检查（range check）：按「当前片元深度与那处表面深度之差」做加权——深度差在采样半径量级内的遮挡才算数，差得太远的（远背景）权重衰减到接近 0、不计。这样既保住了近处接触缝的暗角，又不让远背景误暗。

收尾：只把 AO 乘到环境光上

最后一步最关键，也最容易做错。SSAO 算出的 AO，只乘到环境光项上，直接光（漫反射、镜面）一概不动：

vec3 ambient = ambientColor * Albedo * AO;  // 只有这里乘 AO
vec3 lighting = ambient + diffuse + specular; // 直接光照旧

为什么？因为 AO 描述的是「漫射环境光被周围挡了多少」——那是没有明确来向、四面八方匀着来的光。而直接光有明确光源方向，它该不该照到、照多亮，由阴影映射那套（N·L、shadow map）管，跟 AO 是两码事。把 AO 乘到直接光或整体颜色上，画面会整体发黑、过暗、脏——这是头号误区，后面单列。

动手：开关 SSAO，看接触处的暗角

猜一猜：下面这块画布里有一块地面和几个球，球就坐在地面上、彼此还挨得很近。先把「SSAO 开关」关掉——只剩纯常量环境光。你觉得球和地面接触的那一圈会是什么样？是和旁边的空地一样亮、看不出球是「坐在」地上的，还是接触处自带一圈暗角、像真的压着地面？先关着看一眼，再打开。

这块画布里，片段着色器用 ray-sphere 求交程序化渲了一块地面 + 几个挨在一起的球。对每个命中片元，它在该片元的法线半球方向做若干次短距探测，估出周围被挡了多少（近似的 AO），再把这份 AO 只乘到环境光上。四个控件：SSAO 开关（关＝纯常量环境光、接触处不暗；开＝接触/缝隙处暗角出现）、半径（探测的影响范围，调大暗角铺得更广）、强度（AO 压暗的力度），以及 查看（最终合成 / 只看 AO 灰度图——白=不遮挡、黑=强遮挡）：

谜底：关掉 SSAO，球和地面接触的那一圈、球与球挨着的缝隙，都和旁边的空地一样亮——球像是「浮」在地上、缝隙平塌塌的，一眼假。打开 SSAO，接触处和缝隙立刻自动暗下去一圈，球终于像「坐」在地上、挨在一起的球之间有了厚重的接触阴影。再把半径拖大，暗角铺得更广（探测够得更远）；把强度拖大，同样的遮蔽被压得更黑。最后切到 AO 灰度图：开阔的平地是白的（不遮挡），接触缝隙是一团团黑（强遮挡）——这张灰度图就是 SSAO 真正算出来的东西，最终合成时它只乘在环境光上。

流程走一遍：从半球采样到只乘环境光

把 SSAO 串成正经的三步流程，每步配图示意那一刻的数据形态：

左右擦一擦：关 SSAO vs 开 SSAO

把「关 SSAO（接触处一样亮、显假）」和「开 SSAO（接触缝隙暗、立体）」定格成两态——左边纯常量环境光、接触处和平面一样亮，右边接触缝隙处自动出暗角：

左右两图各取一态作示意——重点在那句话：关 SSAO 时墙角缝隙和平面拿到一样的环境光、画面塌成平片；开 SSAO 后接触处被自动压暗一圈，球与地面、球与球之间有了厚重的接触阴影。一句话：SSAO 把均匀的环境光，按「每个点被周围挡了多少」分了三六九等。

代码逐段拆解

真正的 SSAO 代码就三块，全建立在延迟着色的 G-buffer（位置/法线）之上：SSAO pass（半球采样 + 深度比较，输出 AO 灰度）、模糊 pass（小盒式模糊抹噪点）、光照 pass（ambient *= AO）。和 demo 里的解析近似不同，这里是工业界的真做法：对屏幕空间的 G-buffer 深度做投影采样。

第一块：SSAO pass 片段着色器——半球采样 + 深度比较

核心着色器：采 G-buffer 拿到当前片元的视空间位置/法线，用 noise 纹理旋转后的 TBN 把预生成的半球核旋到法线朝向，for 循环每个采样点——投影到屏幕、读 G-buffer 那处深度、比较累加遮蔽：

#version 300 es
precision highp float;
in vec2 TexCoords;
uniform sampler2D gPosition; // G-buffer：视空间位置
uniform sampler2D gNormal;   // G-buffer：视空间法线
uniform sampler2D texNoise;  // 4x4 随机向量纹理（平铺）
uniform vec3 samples[64];    // 预生成的半球核（CPU 端造，见下）
uniform mat4 projection;     // 把视空间采样点投影回屏幕
uniform float radius;        // 采样半径（对应 demo「半径」）
uniform float power;         // 压暗力度（对应 demo「强度」）
out float FragColor;         // 只输出一个 AO 灰度值
const vec2 noiseScale = vec2(1280.0 / 4.0, 720.0 / 4.0); // 屏幕/noise 平铺
void main() {
  vec3 fragPos = texture(gPosition, TexCoords).xyz; // 当前片元视空间位置
  vec3 normal = normalize(texture(gNormal, TexCoords).xyz);
  vec3 randVec = texture(texNoise, TexCoords * noiseScale).xyz; // 逐像素随机向量
  // 用随机向量 + 法线构 TBN：把半球核旋到法线半球、且逐像素随机旋转(去条带)
  vec3 tangent = normalize(randVec - normal * dot(randVec, normal));
  vec3 bitangent = cross(normal, tangent);
  mat3 TBN = mat3(tangent, bitangent, normal);
  float occlusion = 0.0; // 下一块继续：循环采样 + 深度比较 + range check
}

// 接上：循环每个采样点，投影到屏幕、读 G-buffer 深度比较
for (int i = 0; i < 64; i++) {
  // 1) 半球核方向旋到法线朝向，按半径放到片元周围
  vec3 samplePos = fragPos + (TBN * samples[i]) * radius;
  // 2) 投影到屏幕，拿到该采样点对应的屏幕 uv
  vec4 offset = projection * vec4(samplePos, 1.0);
  offset.xyz /= offset.w;              // 透视除法 → NDC
  offset.xy = offset.xy * 0.5 + 0.5;   // NDC[-1,1] → uv[0,1]
  // 3) 读 G-buffer 在该屏幕位置存的真实表面深度（视空间 z）
  float sampleDepth = texture(gPosition, offset.xy).z;
  // 4) range check：那处表面离当前片元太远(远背景)就别算遮蔽
  float rangeCheck = smoothstep(0.0, 1.0, radius / abs(fragPos.z - sampleDepth));
  // 5) 深度比较：该处表面比采样点更近(+bias 防自遮挡) = 采样点被挡 → 遮蔽+1
  occlusion += (sampleDepth >= samplePos.z + 0.025 ? 1.0 : 0.0) * rangeCheck;
}
// 遮蔽比例 → AO 系数(1 不挡、0 挡死)，power 调压暗力度
FragColor = pow(clamp(1.0 - occlusion / 64.0, 0.0, 1.0), power);

注意上面用的是 G-buffer 的 视空间 位置/法线（不是世界空间）——这样投影矩阵 projection 才能把采样点直接投回屏幕。半球核 samples[64] 和 texNoise 这两样要在 CPU 端预先造好：

第二块：模糊 pass 片段着色器——小盒式模糊抹噪点

旋转采样核换来的 AO 带颗粒，过一道很小的盒式模糊抹平。因为 noise 是 4×4 平铺的，模糊核取 4×4 邻域正好抹掉一个完整噪声周期：

#version 300 es
precision highp float;
in vec2 TexCoords;
uniform sampler2D ssaoInput; // 上一步带噪点的 AO 灰度图
out float FragColor;
void main() {
  // 一个纹素的大小（用于按整数偏移取邻域）
  vec2 texelSize = 1.0 / vec2(textureSize(ssaoInput, 0));
  float result = 0.0;
  // 4x4 邻域取平均（对应 noise 的 4x4 平铺周期）
  for (int x = -2; x < 2; x++) {
    for (int y = -2; y < 2; y++) {
      vec2 offset = vec2(float(x), float(y)) * texelSize;
      result += texture(ssaoInput, TexCoords + offset).r;
    }
  }
  // 16 个样本求平均 → 抹平噪点的干净 AO
  FragColor = result / 16.0;
}

模糊后这张干净 AO 就能拿去乘环境光了。最后一块最关键也最短——在光照 pass 里把 AO 只乘到环境光项上：

第三块：光照 pass——ambient *= AO，直接光不动

// 光照 pass 里：采 G-buffer + 采模糊后的 AO
float AmbientOcclusion = texture(ssaoBlur, TexCoords).r;
vec3 Albedo = texture(gAlbedoSpec, TexCoords).rgb;
// 关键：AO 只乘到「环境光」项上
vec3 ambient = vec3(0.3) * Albedo * AmbientOcclusion;
vec3 lighting = ambient; // 直接光从这里往后加，一概不乘 AO
// for 循环每盏灯累加 漫反射 + 镜面（这些是直接光，不动 AO）
for (int i = 0; i < activeLights; i++) {
  vec3 L = normalize(lights[i].Position - FragPos);
  float diff = max(dot(Normal, L), 0.0);
  lighting += lights[i].Color * Albedo * diff; // 直接光：不乘 AO
  // …镜面同理，也不乘 AO（从略）
}
FragColor = vec4(lighting, 1.0);

// 第一遍·SSAO pass：绑 SSAO FBO，喂 G-buffer 位置/法线 + noise，渲全屏四边形
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, ssaoFBO);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
ssaoShader.use();
// （绑 gPosition/gNormal/texNoise + 传 samples[64]/projection/radius/power，从略）
RenderQuad();
// 第二遍·模糊 pass：绑 blur FBO，把上一步 AO 图过 4x4 盒式模糊
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, ssaoBlurFBO);
glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);
blurShader.use();
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ssaoColorBuffer); // 输入：带噪点 AO
RenderQuad();
// 第三遍·光照 pass：绑回默认帧缓冲，光照里采模糊后的 AO 乘环境光
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);
lightingShader.use();
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, ssaoBlurColorBuffer); // 干净 AO 喂给光照
RenderQuad();

三遍串起来就是完整的 SSAO：几何 pass 填 G-buffer（上一章）→ SSAO pass 半球采样输出 AO 灰度 → 模糊 pass 抹噪点 → 光照 pass 把 AO 只乘环境光。和上面 demo 的解析近似对照着看：demo 用「点在不在球/地面内部」代替了「投影读 G-buffer 深度」，但「法线半球撒点数遮蔽 → 只压环境光」的内核完全一致。

容易踩的坑

小结

• 环境光遮蔽 AO 描述一个点被周围挡住、收不到多少环境光：墙角缝隙接触处该暗；常量环境光对所有点一视同仁、照不出这种立体细节
• SSAO 在屏幕空间近似 AO：直接用延迟着色的 G-buffer（位置/法线），不重算真几何，又快又能塞进延迟管线
• 做法两步：在片元法线半球内撒随机采样核 → 每个采样点投影到屏幕、深度比较 + 范围检查 累加被挡的个数 = 遮蔽
• 去噪两步配合：noise 纹理逐像素旋转采样核把条带换成噪点 → 小盒式模糊把噪点抹平成干净 AO
• 收尾铁律：算出的 AO 只乘到环境光（ambient *= AO），直接光（漫反射/镜面/阴影）一概不动，否则画面整体发黑

版本、来源与运行边界

本章以 Joey de Vries 的 LearnOpenGL 原章 为授权改编依据，教学运行基线是 OpenGL 3.3 Core Profile。Khronos 当前发布的规范参照是 OpenGL 4.6 Core Profile；这里用 4.6 规范核查术语和状态合同，但不把 4.6 API 偷偷倒填为原教程内容。GLFW、GLAD、Assimp 与驱动版本都属于运行环境，不能拿“编译通过”替代对 context、资源和 framebuffer 结果的验证。

正式概念与状态责任

• ssao：在“SSAO、半球采样与环境光遮蔽边界”中由G-buffer、SSAO kernel/noise texture、occlusion FBO 与 blur pass负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以kernel/noise 输入、sample position、projected UV、depth delta、occlusion 与 blur 输出定位它的第一处变化。
• sample kernel：在“SSAO、半球采样与环境光遮蔽边界”中由G-buffer、SSAO kernel/noise texture、occlusion FBO 与 blur pass负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以kernel/noise 输入、sample position、projected UV、depth delta、occlusion 与 blur 输出定位它的第一处变化。
• noise texture：在“SSAO、半球采样与环境光遮蔽边界”中由G-buffer、SSAO kernel/noise texture、occlusion FBO 与 blur pass负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以kernel/noise 输入、sample position、projected UV、depth delta、occlusion 与 blur 输出定位它的第一处变化。
• occlusion：在“SSAO、半球采样与环境光遮蔽边界”中由G-buffer、SSAO kernel/noise texture、occlusion FBO 与 blur pass负责解释其输入、受控状态和可观察结果；运行时以kernel/noise 输入、sample position、projected UV、depth delta、occlusion 与 blur 输出定位它的第一处变化。

章专属 OpenGL 状态实验

先预测“旋转样本到法线半球，投影采样邻域深度，累积后模糊并用于环境项”发生后，G-buffer、SSAO kernel/noise texture、occlusion FBO 与 blur pass应怎样改变view-space position/normal、kernel samples、TBN、投影坐标、range check 和 occlusion；再操作三个实验。实验不生成变化率或正确率等虚构总分，只显示真实 GL 状态、资源、命令和可观察结果。

实验一：Context—资源—结果合同

选择任一正式概念与基线/单故障场景，核对它是否进入本章状态合同。正式概念只有同时出现在解释、可视状态和交付证据中才算覆盖。

实验二：CPU 命令到 GPU 结果的五段轨迹

逐段执行“旋转样本到法线半球，投影采样邻域深度，累积后模糊并用于环境项”，在每一步记录资源身份、状态变化与第一个可观察结果，并持续核对“样本、法线和深度比较处于同一 view space；越界投影不伪造遮蔽”。

实验三：单故障与同输入恢复

注入“把 G-buffer world-space position 与 view-space sample 比较，摄像机移动时遮蔽漂移”，保存首个分岔；撤销后沿用完全相同的 context、资源内容、uniform 和 draw 输入重放。只有kernel/noise 输入、sample position、projected UV、depth delta、occlusion 与 blur 输出一起恢复才算修复。

最小可重放检查

unit: logl-38
owner: G-buffer、SSAO kernel/noise texture、occlusion FBO 与 blur pass
state_or_resource: view-space position/normal、kernel samples、TBN、投影坐标、range check 和 occlusion
command: 旋转样本到法线半球，投影采样邻域深度，累积后模糊并用于环境项
pass_invariant: 样本、法线和深度比较处于同一 view space；越界投影不伪造遮蔽
single_fault: 把 G-buffer world-space position 与 view-space sample 比较，摄像机移动时遮蔽漂移
required_evidence: kernel/noise 输入、sample position、projected UV、depth delta、occlusion 与 blur 输出

复核者先仅依据以上合同写出预期，再运行基线、单故障和清理后重放。若两次基线的资源身份、首个状态变化或 framebuffer 结果不同，必须保留差异，不能用最终截图相似掩盖中间状态错误。