Unity 大气特效插件分析 - Aura #01

老实说我也不知道该叫啥了这标题wwww

Aura是一个Unity的开源插件，可以实现较为出色的大气效果（如：体积光，体积雾等等）：

传送门：
Asset store: https://assetstore.unity.com/packages/vfx/shaders/aura-volumetric-lighting-111664
Github: https://github.com/raphael-ernaelsten/Aura

大概的效果是这个样子的www：

（都是官方的图x）

那么www它到底是怎么实现的呢www？

（本来以为自己肯定什么都看不懂打算这个假期好好研究一下的x 结果在回来的飞机上就稍微弄明白了一点ww（虽然实现确实很直接简单www）果然还是比以前厉害了一点点的x（逃

在Aura的github页面（上面有链接）中提到了这样一张图，也就是实现的流程图：

首先第一部分，对应着Aura里的各种光源（平行（Directional）光、点光源等等）和各种Volume（一块雾）。（Aura这里光源不需要打在雾上（进行散射）从而产生体积光的效果，单一个光源就可以拥有体积光的效果w）
它们只是各种形式的数据结构（这块volume的形状，光源的参数等等）保存在内存中，等待随后的操作将它们打包发送到Compute Shader进行计算得到最终的光照结果。

简单概括一下的话，整个流程大概是：计算各点颜色，累加，应用到渲染结果上。

主要的光照计算过程发生在 Aura::Frustum::ComputeData() （Aura/Classes/Frustum.cs : 147）中。ComputeData() 函数在Aura的主类（Aura.cs）的 UpdateFrustrum()（更新视锥体）函数（Aura.cs : 351）中被调用，而 UpdateFrustrum() 函数又在同一类下的 OnRenderImage(RT, RT) 函数（Aura.cs : 174）中被调用。OnRenderImage 函数完成了绘制图像的操作，两个参数（都是RenderTexture - 两张纹理，就是在屏幕上要显示的当前帧）src和dest分别是这个函数的输入和输出。在函数 OnRenderImage() 中，用PostProcess的方式（使用一个PixelShader（Aura/Shaders/Shaders/PostProcessShader.shader），后述）把 ComputeShader 计算的最终光照结果（一个3D纹理，对应图上最下面的Integrated Volumetric Lighting，是 UpdateFrustrum() 的产物，后述）应用到 Unity 按照常规方法渲染出的图片上面，得到最终的结果。

↑ 输入图像（常规渲染结果）

↑ ComputeShader 计算得到的结果（由于是3D纹理所以用了个gif，由近及远）

↑ 通过 PostProcessShader 把大气效果应用到渲染结果上，得到最终的图像。

（1）光照（大气效果）的计算：

首先，按照设置中的精细程度与渲染范围（在摄像机的Aura组件下有名为Resolution和Range的设置项），把当前 View Space 的视锥体（也就是摄像机眼前的这个锥体）按照精细度分成很多小块进行计算。

↑ 就这个椎体，就是Frustrum。

在把视锥体切成许多小块后，每一个小块就对应着最终3D纹理中的一个体素（是像素概念从2D到3D的延申），同时每个小块之间在这一阶段上没有计算，这个过程是高度并行化的（每个thread计算一个体素），交给了ComputeShader。每一个体素的计算过程在ComputeDataComputeShader.compute 中。

在这之前，还对当前的深度缓冲区做了一些处理（ ComputeMaximumDepthComputeShader.compute ），得到了视锥体中的深度信息（在视锥体格子的某一条x,y轴上，摄像机最远能看到哪里）：

（计算得到的深度图，主要是对原图的信息进行整合，得到在视锥体的3D纹理清晰度下合适的深度图像）

根据这样一张深度图，剔除掉一些没有作用的体素。（被场景物体遮挡住了）

回过来看光照的计算：

抛开前六万五千行（...）的宏定义（根据用户的设置不同（使用 / 忽略光源等）最多可以产生32768种设置组合，所以定义了这么多宏定义）不管，可以看到接下来的计算过程非常的直接：

（这里很多东西都不是很正确，只能当个大概理解一下ww（这里太菜还没搞懂orz）

1.　　首先获得当前体素对应的世界空间坐标。在这里，这个位置是加了一些Jitter（扰动 / 噪声）的，让最终产生的结果更加的柔和（用噪声弥补清晰度上的不足，之后也有很多地方有这种处理）。

2.　　计算每个 Volume 对该点的贡献。（带有 "密度" （相当于alpha）的颜色）

3.　　计算每个光源对该点颜色的贡献。首先通过该光源的 ShadowMap 计算自己是否在它的阴影中，如果在阴影中那么这个光源相当于不存在（+0）；如果不在阴影中则被光源照亮，当前点的颜色加上光源的颜色（还有相应的衰减）。同时，如果有 Light Cookie 之类的东西也可以在这里计算出来。

4.　　对这个点最终得到的颜色进行一些小处理，如非负性等；

5.　　利用前一帧计算的结果和当前帧的结果进行混合，让最终得到的结果更加的柔和。这一步很关键，如果不重复利用前一帧的计算结果，最后渲染出的图像上可以看出非常明显的 artifact 。但在混合后，渲染质量有了很大提升。Aura给的默认值是前一帧占90%，当前帧的结果占10%，在60FPS下这是一个较为理想的参数。（怎么momentum都是0.9（x））在混合的过程中，由于摄像机位置的变化，导致前一帧的视锥体与当前帧的视锥体之间有着些许的位移，所以需要通过一系列矩阵变换，把当前帧在视锥内的位置变换到前一帧的视锥中，再对前一帧得到的结果进行取样。

到这里，我们得到了每个点的颜色。这里觉得可以浅显的理解为，这个颜色就是当前格大气被光照之后散射的颜色，相当于一个小光源（的颜色）。但到现在我们只得到了摄像机前每个格子的光源颜色，还没有计算这些光源照到摄像机中的效果。

就不贴代码了，太长而且零零散散（

所以第二步就是把每个光源的颜色进行累加啦。

对应的文件为 ComputeAccumulationComputeShader.compute （Accumulation就是累加的意思）：

在累加的过程中，我们需要考虑到散射光源在传播路径上的衰减：使用exp（指数）函数作为衰减函数（因为 exp( ax ) 是 x = a * x' （经过单位距离衰减a, a < 1）的解）。过程也很简单：

1.　　每一个thread（threadIdx为x, y, z）计算由当前格子（x, y, z）开始，光线传播到摄像机（x, y, 0）后的最终颜色。这一过程同时考虑到了路上所有格子的光照（不单只有起始点一个格子）。

2.　　通过循环计算光从远端传递到摄像机的过程。Aura代码里的循环写得有些绕，是从摄像机（z = 0）循环到当前格的z （从摄像机到当前格方向），然而在计算的时候反过来算衰减，实际上就是从当前格衰减、传播到摄像机的过程。

half4 Accumulate(half4 colorAndDensityFront, half4 colorAndDensityBack)
{
    half transmittance = exp(colorAndDensityBack.w * layerDepth);
    half4 accumulatedLightAndTransmittance = half4(colorAndDensityFront.xyz + colorAndDensityBack.xyz * (1.0f - transmittance) * colorAndDensityFront.w, colorAndDensityFront.w * transmittance);
    // 注意这里 Front + Back * (1.0f - transmittance), 也就是反过来计算。

    return accumulatedLightAndTransmittance;
}

[numthreads(NUM_THREAD_X,NUM_THREAD_Y,NUM_THREAD_Z)]
void RayMarchThroughVolume(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
    // 获得当前点坐标
    half3 normalizedLocalPos = GetNormalizedLocalPositionWithDepthBias(id);

    #if ENABLE_OCCLUSION_CULLING
    // 遮挡剔除
    [branch]
    if(IsNotOccluded(normalizedLocalPos.z, id.xy)) // TODO : MAYBE COULD BE OPTIMIZED BY USING A MASK VALUE IN THE DATA TEXTURE
    #endif
    {
        // 设置初值
        half4 currentSliceValue = half4(0, 0, 0, 1);
        half4 nextValue = 0;          
        
        // 循环计算衰减
        [loop]
        for(uint z = 0; z < id.z; ++z)
        {
            nextValue = SampleLightingTexture(uint3(id.xy, z));
            currentSliceValue = Accumulate(currentSliceValue, nextValue);
        }
          
        half4 valueAtCurrentZ = SampleLightingTexture(id);
        currentSliceValue = Accumulate(currentSliceValue, valueAtCurrentZ);

        // 将最终得到的结果写入3D纹理
        WriteInOutputTexture(id, currentSliceValue);
    }
}

最后一步就是根据最后得到的衰减累加3D纹理，用 PostProcessShader.shader 给图像做最后的上色。方法也很简单，获得当前位置的深度，转换到对应的 View Space （视锥体）坐标，从3D纹理中采样，加入一些噪声之后把当前颜色（计算得到的颜色）叠加到原有图像上面，就得到了最终的结果：

float4 Aura_GetFogValue(float3 screenSpacePosition)
{
    // Aura_VolumetricLightingTexture: 衰减累加得到的3D纹理（ComputeShader的最终结果）
    return tex3Dlod(Aura_VolumetricLightingTexture, float4(screenSpacePosition.xy, Aura_RescaleDepth(screenSpacePosition.z), 0));
}

void Aura_ApplyFog(inout float3 colorToApply, float3 screenSpacePosition)
{
    // 加入一些噪声
    screenSpacePosition.xy += GetBlueNoise(screenSpacePosition.xy, 3).xy;

    float4 fogValue = Aura_GetFogValue(screenSpacePosition);

    // 再加一点噪声
    float4 noise = GetBlueNoise(screenSpacePosition.xy, 4);

    // 叠加颜色
    colorToApply = colorToApply * (fogValue.w + noise.w) + (fogValue.xyz + noise.xyz);
}

fixed4 frag (v2f psIn) : SV_Target
{
    // 转换深度坐标
    float depth = tex2D(_CameraDepthTexture, psIn.uv);
    depth = LinearEyeDepth(depth);

    // _MainTex 为普通渲染得到的最终图像
    float4 backColor = tex2D(_MainTex, psIn.uv);
    Aura_ApplyFog(backColor.xyz, float3(psIn.uv, depth));
    // 见上面的函数定义

    return backColor;
}