什么是SSAO

什么是AO？

AO（Ambient Occlusion，环境光遮蔽）可以认为是一种全局光照模型（不同于Phong光照模型等局部光照模型）

AO用来计算表面上任意一点暴露于环境光中的程度，反过来说，就是这一点被其他物体''遮挡的程度''，从而决定这一点的受环境光的光照强度，最终使得渲染结果更具层次感。

老外一句话概括：AO = shadow created by ambient illumination

看两个栗子：

右图没有环境光产生的阴影，感觉很不真实，车像浮在空中。

左图只有直接光照产生的阴影，右图加上环境光产生的阴影，老头的皱纹更明显、更立体。

如何计算AO？

先说结论：很费，知道这一点就足够了，不信看公式。

$A({P},\hat{n}) = \frac{1}{\pi}\int_{\Omega}(V(\hat{\omega}, P))max(\hat{\omega} \cdot \hat{n}, 0)d\hat{\omega}$

上述公式表示表面上法线为 $\hat{n}$ 的一点P，受到周边物体的遮挡值A的计算过程。

其中， $\hat{\omega}$ 表示点P到其切平面正方向的单位半球 $\Omega$ 表面的各个方向。V是在 $\hat{\omega}$ 方向点P的可见性函数，如果在 $\hat{\omega}$ 方向点P被遮挡值就是1，否则就是0（在上图中，可以看到红色虚线被阻挡了，V=1；绿色实线没有被遮挡，V=0）。

In traditional Ray Tracing ambient occlusion is simulated by sampling rays from a certain point, which takes a shape of a hemisphere, and then is checked for intersection with the scene (also called Object Space AO).

所以说，AO不适合在游戏内实时计算。

SSAO应运而生

SSAO（Screen Space Ambient Occlusion，屏幕空间环境光遮蔽）是用于实时高效的模拟上述AO效果的一种计算机图形学技术。由Vladimir Kajalin在Crytek工作时开发，并在2007年由Crytek开发Electronic Arts发行的电子游戏Crysis（孤岛危机）中第一次使用。

SSAO的基本原理

将深度缓冲（depth buffer）看做是场景的一种近似。

在屏幕空间（2D）中，对每个像素进行处理（片元着色器），对该像素周围的像素进行采样，并通过对比当前像素和采样像素的深度来计算最终的AO。

如何采样？对每个采样点，如何计算其贡献的AO？这是SSAO中最核心的两个问题。先来看几种常见的采样算法：

Crysis中的SSAO

Crysis中的SSAO在一个完整的球体内进行采样：

将每个采样点投影到屏幕空间内，以获取在深度缓冲中的坐标。
根据上述坐标，对深度缓冲进行采样，获取对应的深度。
如果样本位置在采样深度之后（即样本在几何体内），则贡献AO。

这种方法的最终的表现跟采样的数量成正比，但为了性能需要尽量降低采样的数量，采样数低了又会产生“条带状”的感觉。

但是, 对于这种现象我们有一个Trick ---- 可以引入噪声，将每个采样点以原点法线方向为旋转轴旋转随机的角度。这样的新采样点会变得极其不规则，更加离散化。将低频的条纹转化成高频的噪声。

在Unity中实现SSAO

准备工作：获取像素的深度、法线、坐标

首先要让Camera构建屏幕空间的深度和法线纹理。以便在shader中对_CameraDepthNormalsTexture进行采样，以获取深度和法线信息。

GetComponent<Camera>().depthTextureMode |= DepthTextureMode.DepthNormals;

获取像素深度、法线（摄像机空间）、坐标（摄像机空间

inline float samplePositionAndNormal(float2 uv, out float3 p, out float3 n)
{
    float depth;
    DecodeDepthNormal(tex2Dlod(_CameraDepthNormalsTexture, float4(uv, 0, 0)), depth, n);

    float3 ray = (half3(-0.5f,-0.5f,0) + half3(uv.xy,-1)) * _FarCorner;
    p = ray * depth;

    return depth;
}

因为上述函数在后续步骤会用在for循环里，所以采样时一定要使用tex2Dlod而不是tex2D，具体原因看这里。

根据uv以及depth获取摄像机空间下的坐标的具体解释：根据深度重建像素在摄像机空间的坐标

在像素周围进行采样

优化

优化采样算法

使用采样纹理进行随机采样
上述采样算法对每个像素都是在水平和垂直方向上采样的
将采样轴的x、y坐标以及采样半径分别存储于纹理的RGB通道中。

static void GenerateAxisPattern()
{
    Texture2D axisPattern = new Texture2D(3,3);

    Color[] colors = axisPattern.GetPixels();

    // 90 degrees / 9 samples = 10 degrees increment. 
    // interleave increments per row and column so that they are evenly spread out.

    float[] angles = new float[9]
    {
        0,  30, 60,
        40, 70, 10,
        80, 50, 20
    };

    float[] lenghts = new float[9]
    {
        0.7f,  0.4f,   0.2f,
        0.3f,  0.5f,   0.9f,
        0.0f,  0.6f,   0.1f
    };

    for (int i = 0; i < 9; ++i)
    {
        Vector2 axis = Quaternion.Euler(0, 0, angles[i]) * Vector2.right;
        colors[i] = new Color(axis.x, axis.y, lenghts[i], 1);
    }

    axisPattern.SetPixels(colors);
    axisPattern.Apply();

    AssetDatabase.CreateAsset(axisPattern, "Assets/SSAOResources/AxisPattern.asset");
}