在Unity中实现屏幕空间反射Screen Space Reflection（4）

第四部分讲一下如何在2D屏幕空间步进光线。

http://casual-effects.blogspot.com/2014/08/screen-space-ray-tracing.html 中的代码感觉不太好理解，这里的代码是按照我自己的理解去重新实现的简单版，在效率上可能不如这个网址中的代码。

3D空间的光线步进

原本的实现中，我们得到光线后，将其在3D空间中进行步进，再投影到2D空间上。在投影过后，3D空间中均匀的采样点在2D空间中就不是均匀分布的了。



（图来自 http://casual-effects.blogspot.com/2014/08/screen-space-ray-tracing.html）

这种不均匀导致了采样效率的低下。特别是光线的z方向的步进较大时，这种不均匀采样更为严重。此时有大量的采样被消耗在同一个像素上，或者一大片区域只有少数几个采样，这种情形是很多见的。

为了改进这个情况，我们将算法改进为在2D的屏幕上，按照像素步进光线。

相比于原来的在3D空间中步进光线，再将光线投影回2D屏幕，采样对应点的深度，做相交检测；在2D空间中步进光线，我们可以免去投影回2D屏幕这一步骤，但是我们也无法知道2D屏幕上的点的深度是多少了。

解决办法很简单，我们用2D空间中的光线起点和终点（这两个点的z值是知道的）做插值，得到中间的点的z值即可。

另外需要注意的是，为了获取透视校正的插值，我们需要做的是用1/z做线性插值，而不是直接对z做插值，如果对光栅化有了解的话应该可以理解这一段。

首先我们将起点和终点投影到屏幕空间里。

float4 H0 = mul(unity_CameraProjection, float4(start, 1));      //H0.xy / H0.w is in [-1,1]
float4 H1 = mul(unity_CameraProjection, float4(end, 1));

float2 screenP0 = H0.xy / H0.w;
float2 screenP1 = H1.xy / H1.w;     //。屏幕空间的采样坐标。

接着我们算出两个点在屏幕上的距离，以及对应的采样步长。

float4 texelSize = _MainTex_TexelSize;
if (abs(dot(screenP1 - screenP0, screenP1 - screenP0)) < 1.0) {
screenP1 += texelSize.xy;
}
float2 deltaPixels = (screenP1 - screenP0) * texelSize.zw;  //屏幕上两点的像素间隔。
float step; //线性插值的步长。
step = min( 1 / abs(deltaPixels.y), 1 / abs(deltaPixels.x)); // 使每次采样都会恰好间隔一个像素

这里的step是采样的步长。当step == 1时，一步就从start采样到end了。

step = min( 1 / abs(deltaPixels.y), 1 / abs(deltaPixels.x));

使得每次步进都会在较长的轴上步进一个像素的距离

step *= PIXEL_STRIDE;       //加大采样距离（加快插值进度）。
float sampleScaler = 1.0 - min(1.0, -start.z / 100);
step *= 1.0 + sampleScaler;             //距离较近时（不容易采偏），插值进度更快

PIXEL_STRIDE是一个大于1的数，用于加大采样像素的间隔。

接着我们加入一个samplerScale。当一个像素实际距离镜头较远时，我们需要相对较小的采样步长（因为远处物体的像素要更少，需要更精确的采样），对于近处的物体我们可以用相对宽松的步长。

下面是采样的部分。

float interpolationCounter = step;  //记录当前插值的进度。采样进度计数，大于等于1时采样就会结束。初始值为step可以避免一些奇怪的情况。

float oneOverzCurrent = 1 / start.z;  //当前采样点的1/z，
float2 screenPCurrent = screenP0; //是当前采样点的屏幕坐标。

float dOneOverZCurrent = step * (1 / end.z - 1 / start.z);        //1/z的每两个采样的差值
float2 dScreenPCurrent = step * (screenP1 - screenP0);        //同上

oneOverzCurrent += jitter * dOneOverZCurrent;
screenPCurrent += jitter * dScreenPCurrent;
float intersect = 0;
float prevDepth = 1 / (oneOverzCurrent + 0.1 * dOneOverZCurrent) / -_ProjectionParams.z;    //上一个采样的z值，用于线段求交；+ 0.1 * dOneOverZCurrent可以防止因为精度问题导致光线在起点自交的问题。
#if 1
UNITY_LOOP
for (int i = 1; i <= STEP_COUNT && interpolationCounter <= 1; i++) {
oneOverzCurrent += dOneOverZCurrent;
screenPCurrent += dScreenPCurrent;
interpolationCounter += step;
float screenPTrueDepth = 1 / oneOverzCurrent/ -_ProjectionParams.z;    //求出当前光线终点实际的z值
if (RayIntersect(screenPTrueDepth,prevDepth, screenPCurrent)){        //求交
#if 1  //binary search
...
#endif
hitPixel = (screenPCurrent) / 2 + 0.5;
intersect = 1;
alpha *= 1 - (float)i / STEP_COUNT;
break;
}
prevDepth = screenPTrueDepth;
}

jitter是抖动值，可以优化最终效果。可以通过

float2 uv2 = i.uv * _MainTex_TexelSize.zw;
float c = (uv2.x + uv2.y) * 0.25;
float jitter = fmod(c,1.0);

计算得到。

其他的

到这里，实现SSR的核心方法应该就差不多了。剩下的就是一些通用的优化方法了，比如降采样、加模糊等等，就不再说了。

需要一提的是，这里的屏幕空间光线追踪，其实是一个很通用的算法，可以基于它实现其他的更多的需要光线追踪的效果。

另外，当场景中有必须用forward rendering渲染的物体存在时，会出现一些bug。具体原因是unity的绘制顺序是Deferred -> Foward -> Image Effect，我们在Image Effect绘制SSR时，此时屏幕上已经有Forward物体被绘制了，这时候根据GBuffer算出来的（虽然depth

buffer是正确的）反射颜色就会直接叠加到Forward物体上。

这个bug可以通过改用command buffer解决。官方的实现中，SSR效果处于Deferred rendering结束之后进行(AfterFinalPass)，即Deferred -> SSR -> Forward。此时就不会出现奇怪的问题了。但是这样也导致了Forward Object无法被反射（因为计算反射的时候Forward物体还没被绘制）。

下一篇文章会讲一下，用这种光线追踪方法实现屏幕空间阴影。这种阴影作为一个后处理效果，效率极高，而且可以直接和Unity内置的Screen space shadow mask结合使用。