自适应屏幕空间环境光遮蔽

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本文将介绍自适应屏幕空间环境光遮蔽 (ASSAO) 效果的最新实施方法，该技术经过精心设计，只需实施外观、设置和质量统一、符合行业标准的方法，就可从低能耗设备和场景扩展至高分辨率的高端台式机。

在实时渲染过程中，屏幕空间环境光遮蔽 (SSAO) 常用于打造小范围环境光效果和接触阴影效果。 许多现代游戏引擎都会用到这项技术，通常使用 5-10% 的帧 GPU 时间。 尽管市场上提供大量实施方法，但其中有许多不具备开源特性，不免费提供，也无法为低能耗移动设备和台式机提供充足的扩展性能。 ASSAO 的出现有效地填补了这一空白。

本文将重点介绍如何理解和集成或移植示例代码。 另外还将介绍相关的实施细节、可用选项、设置，以及使用过程中需进行的权衡。 即将出版的书籍《GPU Zen (GPU Pro* 8)》刊登了一篇专门介绍这种实施方法的文章。

图 1. Unity 4* 测试场景中所使用的自适应 SSAO 示例。

完整 DirectX* 11 实施方法根据易于集成的软件包中的 MIT 许可证提供。

算法概述

ASSAO 是面向可扩展性和灵活性调整后的 SSAO 实施。 环境光遮蔽 (AO) 实施以立体遮蔽模式为基础，类似“水平环境光遮蔽”[Bavoil 等， 2008 年]和创新型渐进取样核心磁盘。 与此相关的性能框架基于 2 x 2 版高速缓存友好型解交织渲染技术，“面向高效缓存交替取样的解交织纹理”[Bavoil，2014 年]，以及可选深度 MIP 映射“可扩展环境遮蔽”[McGuire 等， 2012 年]。

通过改变 AO 轻击（渐进取样核心支持）数量和在不同预设级中进行特性切换，可实现与性能相关的扩展质量。

随机取样可用于共享邻近像素间的 AO 值（基于旋转并不断扩展的取样磁盘）以及最后使用的去噪模糊。 去噪模糊能够感知边缘，防止效果渗透到不相关的背景或前景对象中，从而避免产生光晕。 边缘可仅基于深度，也可基于深度和法线。 （后者可以提高质量，但会延长处理时间）。 智能模糊在 2 x 2 解交织域中执行，以实现最高缓存效率，仅最终通道以全高清在交织（重构）通道中完成。

从实际应用角度来说，它是一种基于多通道像素着色器的技术。 在“高”预设情况下，主要步骤包括：

1. 准备深度
   1. 4 个四分之一深度缓冲区中的 2 x 2 解交织输入屏幕深度，并将数值转化成视图空间。 另外，如果不提供输入屏幕法线，则需要通过深度重构。
   2. 为每个小型深度缓冲区创建 MIP（不在“低”或“中”预设中进行）。
2. 计算每个 2 x 2 解交织部分（共 4 个）的 AO 选项和边缘感知模糊
   1. 计算AO 选项和边缘，并将其保存在 R8G8 纹理中。
   2. 使用边缘感知智能模糊（1-6 个通道，根据用户设置）。
3. 将 4 个部分合并成最终的全分辨率缓冲区，并使用最终边缘感知模糊通道。

“最高/自适应”质量预设中包含辅助基底 AO 通道，可用于提供重要性启发法，为主 AO 通道的每像素变量示例数提供指导。

表 1 对性能数据进行了总结概括。 这些数据仅供参考，可能因驱动程序和硬件规格的不同而有所差异。 更改效果设置不会改变性能，但边缘感知模糊除外；增加模糊通道数会导致成本上升。

表 1. 不同预设、分辨率和硬件情况下的 ASSAO 效果成本（毫秒）。

根据提供的屏幕法线进行分析，双通道模糊和“最高”自适应目标设为 0.45，通过更改 AO 轻击数，以及切换各特定的启/闭状态，可以在“低”/“中”/“高”/“最高”预设之间扩展效果（质量与性能）。 表 2 显示了这些预设的详细设置。

表 2. ASSAO 预设详情。

示例概述

该示例使用 DirectX 11，并兼容 Windows* 7 64 位或更高版本，也可兼容 Microsoft Visual Studio* 2015。

图 2. 自适应 SSAO 示例布局。

本示例中包含的 Crytek Sponza* 场景可在默认情况下使用，右上角表格列出了基本的效果分析指标。 表格下方是用于更改效果设置、质量或调试效果的衡量指标。 主要设置包括：

1. 启用效果

   关闭/打开效果。 见屏幕图像 0（关），1（开）。

2. 效果半径

   视野空间单元中的环境光遮蔽半径。 见屏幕图像 4、5、6。

3. 效果强度

   线性效果倍增器，用于设置效果强度，增加效果威力，以及效果渐显/渐弱。 见屏幕图像 7、8、9、10。

4. 效果威力

   指数级效果倍增器： occlusion = pow(occlusion, effectPower). 调整效果曲线的最佳方法。 见屏幕图像 11、12、13、14。

5. 详细效果强度

   额外的 2 像素宽核心用于添加高频率效果。 高数值会导致混淆和暂时的不稳定。 见屏幕图像 15、16、17、18、19。

6. 模糊量

   模糊通道较多时，能够以较少的高频率变化提高效果的流畅度，这样可带来优势（减少混淆现象），但会导致成本上升。 见屏幕图像 20、21、22、23、24。

7. 模糊锐度

   确定基于距离（和可选法线）的边缘上的模糊量，防止前景和背景对象之间的渗透，从而避免产生光晕和其他问题。 数值 1 表示完整锐度（不模糊边缘），数值变小表示逐渐放开限制。 数值接近 1 可用于控制混淆现象。 见屏幕图像 25、26。

8. 递延路径

   在递延路径中，相关的效果输入包括屏幕深度和法线贴图纹理。 相反，如果使用前向路径，输入仅包含深度纹理，法线贴图通过深度重构，这样会增加成本并导致结果稍有不同。 见屏幕图像 27、28。

9. 扩展分辨率

   在屏幕边缘附近，效果核心负责的部分位于屏幕之外。 尽管可使用不同的取样模式（比如夹紧/镜像）得到不同的结果（见 m_samplerStateViewspaceDepthTap），但最好的方法以一定的比例扩展渲染区域和分辨率，同时创建深度缓冲区，以便提供边缘附近 AO 效果所需的数据。 该选项可完成这一操作，而且 ASSAO 使用可选 scissor 矩形，可避免计算有关扩展（不可见）区域的 AO。 见屏幕图像 29、30。

10. 启用纹理

    切换纹理，以提高 AO 效果的可见性（依然应用光照）。 见屏幕图像 31、32。

11. 质量预设

    切换四种质量预设，如表 1 和表 2 所示。 见屏幕图像 33、34、35、36。

    就“最高”/“自适应”预设而言，自适应目标用于控制可在运行时更改的渐进质量目标，以快速权衡质量和性能。 见屏幕图像 37、38、39。

12. 切换至高级 UI

    为了更详细地调试效果，该示例可切换至高级 UI，支持访问更多场景（见屏幕图像40、41、42）和效果开发版本，有助于提供更深入的分析和各种调试视图，从而显示法线（屏幕图像 43）、检测边缘（屏幕图像 44）、有关已选像素的 AO 示例（屏幕图像 45）以及自适应效果热点图（屏幕图像 46）。

集成详情

只需使用本示例项目的三个文件，就可快速集成至 DirectX 11 代码库：

Projects\ASSAO\ASSAO\ASSAO.h
Projects\ASSAO\ASSAO\ASSAODX11.cpp
Projects\ASSAO\ASSAO\ASSAO.hlsl

它们包含不涉及其他相关性（DirectX 11 API 除外）的整个 ASSAO 实施过程。

基本 ASSAO 集成步骤包括：

1. 将 ASSAO.h和 ASSAODX11.cpp添加至项目。
2. 添加支持加载过程的 ASSAO.hlsl文件，或参阅 ASSAOWrapperDX11.cpp（和项目自定义构建步骤）中的“USE_EMBEDDED_SHADER”，以详细了解如何轻松将 .hlsl 文件嵌入至二进制文件。
3. DirectX 11 设备创建完成后，通过向静态 ASSAO_Effect::CreateInstance(…) 提供 ID3D11Device 指示器和着色器源缓冲区，创建 ASSAO_Effect对象实例。 毁坏 DirectX 设备之前，不要忘记调用 ASSAO_Effect::DestroyInstance() 毁坏该对象。
4. 在渲染后期处理管道中查找合适的位置： SSAO 通常直接应用于聚光或后期色调图色彩缓冲区，实现其他屏幕空间效果之前通常使用多重混合模式。 有时使用物理校正方法将 AO 选项渲染至单个缓冲区，以便后期在光照通道中使用。 不管在何种情况下，如果所需的输入为场景深度（和屏幕空间法线（如有）），将意味着只要可用就可绘制 ASSAO。
5. 通过填写 ASSAO_InputsDX11，设置每帧输入结构：
   1. 如果效果输出只需限制在较小的矩形中，比如如果采用扩展分辨率方法，则只需 ScissorLeft/Right/Top/Bottom。 否则，默认为 0，表示输出将前往整个视口。
   2. ViewportX/Y必须设为 0，以及 ViewportWidth/Height 设为输出渲染目标和输入深度和屏幕空间法线纹理分辨率。 尚不支持自定义视口。
   3. ProjectionMatrix必须设为用于绘制深度缓冲区的投影。 支持 LH 和 RH 两种投影矩阵，以及相反的 Z (http://outerra.blogspot.de/2012/11/maximizing-depth-buffer-range-and.html)。
   4. 如果输入屏幕空间法线不在视野空间中，则需要 NormalsWorldToViewspaceMatrix（可选），该矩阵可用于转换。
   5. MatricesRowMajorOrder可定义输入 ProjectionMatrix和 NormalsWorldToViewspaceMatrix的内存布局。
   6. NormalsUnpackMul和 NormalsUnpackAdd分别默认为 2 和 -1，通过经常保存它们的 UNORM [0, 1] 纹理将法线解包成 [-1, 1] 范围。如果浮点纹理提供法线，这两个值必须设为1 (mul) 和 0 (add)。
   7. DrawOpaque用于确定混合模式：如果为真值，将覆写所选渲染目标的内容；如果为假值，则使用乘法混合模式。
   8. DeviceContext（特定于 DirectX 11）应设为用于渲染效果的 ID3D11DeviceContext 指示器。
   9. DepthSRV（特定于 DirectX 11）应设为输入深度数据。
   10. NormalSRV（特定于 DirectX 11）应设为输入屏幕空间法线或 nullptr（如果不可用，在这种情况下法线将通过深度数据重构）。
   11. OverrideOutputRTV（特定于 DirectX 11）应设为 nullptr或输出渲染目标。 如果设为 nullptr，则使用当前所选的 RTV。
6. 设置 ASSAO_Settings 中规定的效果设置结构。 示例概述部分将对此进行了详细介绍。
7. 调用 ASSAO_Effect::Draw函数。 所有当前 DirectX 11 状态都完成了备份，调用后可进行恢复以确保无缝集成。

示例项目中的以下文件可提供集成示例：

Projects\ASSAO\ ASSAOWrapper.h
Projects\ASSAO\ ASSAOWrapper.cpp
Projects\ASSAO\ ASSAOWrapperDX11.cpp

可访问 https://github.com/GameTechDev/ASSAO，下载最新源代码。

参考书目

[Bavoil 等， 2008 年] Bavoil, L.、Sainz, M. 和 Dimitrov, R，2008 年。 “图像空间水平环境光遮蔽”。 ACM SIGGRAPH 2008 talks, ACM, New York, NY, USA, SIGGRAPH ’08, 22:1–22:1。

[McGuire 等， 2012 年] Morgan McGuire、Michael Mara、David Luebke。 “可扩展环境光遮蔽”。 HPG 2012。

[Bavoil，2014 年] Louis Bavoil，“面向高效缓存交替取样的解交织纹理”。 NVIDIA 2014。

声明

该示例源代码根据 MIT 许可证发布。