屏幕空间全局光照
Screen Space Global Illumination

🌐项目总览§ 01

该项目为 Unity URP 实现了一套完整的 屏幕空间全局光照（SSGI） 系统， 展示了生产级的 Renderer Feature 编写规范，同时涵盖以下技术点：

• 光线步进算法：自适应步长 + 二分搜索 + 背面深度厚度判定
• T-S-T 降噪管线：时域重投影 → 空域双边滤波 → 时域稳定
• SVGF 原理应用：Spatiotemporal Variance-Guided Filtering
• Unity 6 Render Graph API：RenderGraph / RTHandle / RecordRenderGraph 编写模式
• MRT GBuffer 流程：Forward 下手动生成 GBuffer 的 MRT 方法

⚙️Renderer Feature 架构§ 02

ScreenSpaceGlobalIlluminationURP.cs 是整个系统的调度中枢，负责判断渲染路径、 注入 Pass、管理历史纹理、传递 Uniform 参数。

四大内部 Pass

历史数据管理 CameraHistoryData

多相机场景下（Game View + Scene View + 反射相机），每个相机需独立维护自己的历史纹理， 否则会相互污染导致时域效果闪烁。项目使用数组 + GetHashCode 追踪相机身份：

// 历史纹理结构体 (每相机独立)
struct CameraHistoryData {
    RTHandle historyDepthHandle;         // 上一帧深度，用于遮挡剔除
    RTHandle historyIndirectDiffuseHandle; // 上一帧 GI 结果
    RTHandle accumulateHistorySampleHandle; // 累积采样帧数
    Matrix4x4 prevCamInvVPMatrix;        // 上一帧 VP 逆矩阵，用于反推世界坐标
}

// 相机哈希查找
int camID = camera.GetHashCode();
var histData = cameraHistoryData.FirstOrDefault(d => d.cameraId == camID);

分辨率与时域强度也会动态联动：分辨率越低，越依赖时域累积补充细节；分辨率高时适当降低权重，减少拖影。

float temporalIntensity = Mathf.Lerp(
    denoiseIntensity + 0.02f,  // 低分辨率：增强时域
    denoiseIntensity - 0.04f,  // 高分辨率：减弱拖影
    resolutionScale
);

🎞️Shader Pass 0–9§ 03

所有 Pass 均运行于 BeforeRenderingTransparents（不透明物体后、透明物体前）：

完整渲染流程

🔭光线步进算法§ 04

SSGI.hlsl 中的 RayMarching() 实现了一种 不依赖 Hi-Z 加速结构的纯线性步进算法，通过以下手段保证性能与质量的平衡：

① 自适应分段步长

步进次数 i 被划分为三段，近密远疏：

在未命中状态下，步长还会 指数级增长（每步乘 1.1），加速跨越空旷区域：

// 未命中时：指数加速（来自 voxagon SSPT 博客）
else if (!startBinarySearch)
{
    currStepSize += currStepSize * 0.1;
    marchingThickness += _Thickness_Increment;
}

每步还会叠加 dither 抖动偏移，将固定步长的条纹伪影（Banding）转化为高频噪声， 便于后续降噪消除：

rayPositionWS += (currStepSize + currStepSize * dither) * ray.direction;

② 二分搜索交点细化

当光线符号 Sign 发生翻转（由"物体前"进入"物体后"）时，进入二分搜索模式：

if (startBinarySearch)
{
    // 步长减半；方向取决于当前是在物体前还是后
    currStepSize *= (FastSign(currStepSize) == Sign) ? 0.5 : -0.5;
}

光线在表面附近来回振荡并收敛，极大提升了交点精度，弥补了大步长带来的精度损失。

③ 背面深度精确厚度判定

// 判定击中：在表面后方且未超厚度
hitSuccessful = (depthDiff <= 0.0)
    && (depthDiff >= -marchingThickness)
    && !isSky;

// 判定击中：光线处于正面与背面深度之间
sceneBackDepth = max(sceneBackDepth, sceneDepth + thickness);
hitSuccessful = (depthDiff <= 0.0)
    && (hitDepth <= sceneBackDepth)
    && !isSky;

④ Hi-Z vs 线性步进 对比

🔬降噪管线 (T-S-T)§ 05

SSGI 的光线步进结果本身噪声极高，系统采用经典的 T-S-T（Temporal → Spatial → Temporal）三阶降噪管线：

Pass 2：时域重投影（核心混合）

这是将上一帧 GI 引入当前帧的关键步骤，输入：原始噪声 GI + 运动向量 + 历史深度/GI。

核心逻辑

1. 运动补偿：通过 _MotionVectorTexture 将当前像素重投影回上一帧 UV
2. 遮挡剔除（Disocclusion）：对比当前与历史深度/法线，差异超阈值则丢弃历史权重
3. 加权累积：根据 _TemporalIntensity 和累积帧数做加权平均
4. AABB 钳制（可选）：激进降噪模式下，钳制历史颜色在邻域色彩包围盒内

// AABB 邻域钳制核心（AdjustColorBox）
// 采样 3x3 邻域，计算颜色包围盒
half3 boxMin, boxMax;
AdjustColorBox(currentUV, out boxMin, out boxMax);
// 将历史颜色钳制在包围盒范围内，防止鬼影
prevColor = clamp(prevColor, boxMin, boxMax);

Pass 3/8：空域降噪

Pass 3 · A-Trous Wavelet 保边模糊

基于小波变换的保边滤波，使用 动态扩张步长（Dilation）， 以较低采样数模拟大半径模糊：

• 法线权重：中心法线 vs 邻域法线夹角越大，权重越低
• 深度权重：线性深度差异越大，权重越低（保护几何边缘）
• 若命中距离 hitDistance < 1.0，自动降低模糊强度以保留近处细节

Pass 8 · Poisson Disk Recurrent Denoise

使用泊松盘采样点 + 切线空间加权（ReBLUR 启发），采样沿法线曲面分布， 适合处理具有复杂法线变化的表面，提供更高质量的平滑效果。

// C# 侧：每帧旋转泊松盘，消除固定图案 Artifacts
m_SSGIMaterial.SetVector(_ReBlurBlurRotator,
    EvaluateRotator(k_BlurRands[frameCount % 32]));

多级降噪的 Ping-Pong 执行

// Aggressive Denoise：Pass 8 执行两次 Ping-Pong
if (denoiserAlgorithm == Aggressive) {
    Blitter.BlitCameraTexture(cmd, diffuse, intermediateDiffuse, mat, pass: 8);
    Blitter.BlitCameraTexture(cmd, intermediateDiffuse, diffuse, mat, pass: 8);
}
// Second Denoiser Pass：Pass 3 → Pass 4
if (secondDenoiserPass) {
    Blitter.BlitCameraTexture(cmd, diffuse, intermediateDiffuse, mat, pass: 3);
    Blitter.BlitCameraTexture(cmd, intermediateDiffuse, diffuse, mat, pass: 4);
}

Pass 4：时域稳定（精细后处理）

在空域降噪之后执行，作为最后一道防线：

• 再次 AABB/Variance 钳制：消除萤火虫（Fireflies）和颜色溢出
• 速度敏感混合：运动越快的像素历史权重越低（减拖影），静止像素权重高（最大化稳定）
  $$\alpha = \text{lerp}(\alpha_{base}, \alpha_{low}, \text{velocity} \cdot k)$$

📁HLSL 文件职责§ 06

💡APV 自适应探针体积§ 07

Adaptive Probe Volumes (APV) 是 Unity URP/HDRP 中的高级实时间接光照系统， 解决传统 Light Probe 在精度与内存效率上的不足。

APV 在 SSGI 中的作用：Ray Miss Fallback

当光线步进未能找到屏幕上的几何体交点（射向天空或远处空旷区域）时， SSGIFallback.hlsl 的分级回退策略：

1. 若启用 APV → 调用 SSGISampleProbeVolumePixel 获取高质量烘焙间接光
2. 若无 APV → 回退到传统 SH 球谐函数 SSGIEvaluateAmbientProbeSRGB

#if defined(PROBE_VOLUMES_L1) || defined(PROBE_VOLUMES_L2)
    half3 ambientLighting = SSGISampleProbeVolumePixel(
        positionWS, reflectVector, viewDirectionWS,
        normalizedScreenSpaceUV, probeOcclusion);
#else
    half3 ambientLighting = SSGIEvaluateAmbientProbeSRGB(normalWS);
#endif

🚀Compute Shader 优化方向§ 08

将计算密集型 Pass 迁移到 Compute Shader 可更好地利用 GPU 并行性与 Shared Memory（LDS）， 以下是各 Pass 的优化潜力排序：

推荐 CS 管线拆分方案

// CS 1：核心 GI 生成
DispatchCS(RayMarchingCS, screenW/8, screenH/8, 1);

// CS 2：完整降噪链（同一 CS 多次 Dispatch）
DispatchCS(DenoiseCS, ..., kernel: "TemporalReprojection");   // Pass 2
DispatchCS(DenoiseCS, ..., kernel: "SpatialDenoise_H");        // Pass 3 水平
DispatchCS(DenoiseCS, ..., kernel: "SpatialDenoise_V");        // Pass 3 垂直
DispatchCS(DenoiseCS, ..., kernel: "TemporalStabilization");   // Pass 4

// 最终混合（Pass 6）仍可用传统 Blit + Blend 或 CS UAV 写入

📚值得借鉴的工程实践§ 09

1. 双 API 兼容性（旧版 URP + Render Graph）

大量 #if UNITY_6000_0_OR_NEWER 宏区分代码路径， 旧版用 ScriptableRenderPass + Execute， 新版用 RecordRenderGraph + builder.SetRenderFunc， 是学习 URP 迁移至 Render Graph 的标准范例。

2. 精确时域数据管理（解决多相机污染）

CameraHistoryData 数组 + GetHashCode 追踪相机身份， 完美解决 Game View / Scene View / 反射相机历史帧相互污染的问题。

3. 灵活渲染路径适配（Forward GBuffer 按需生成）

SSGI 依赖 GBuffer，延迟模式直接复用，前向模式注入 ForwardGBufferPass 按需生成， 避免了 Deferred 下的重复渲染浪费。

4. 强大 T-S-T 降噪管线

Temporal Reprojection (P2) → Spatial Denoise (P3/8) → Temporal Stabilization (P4)， 配合 AABB 钳制、遮挡剔除、速度敏感混合， 实现了生产级的屏幕空间 GI 噪声抑制。

5. 优雅的环境光分级回退策略

SSGIFallback.hlsl 的分级设计： 反射探针 Box Projection 校正 → APV 高阶烘焙 GI → 传统 SH 球谐， 保证了 SSGI 在任何配置下都能与 Unity 全局光照系统无缝衔接。