体探针漏光解决方案

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问题描述

在全局照明领域，体探针插值漏光是存在多年的顽疾。比如：GAMES202的LPV（Light Propagation Volumes）；Unity的LPPV（Light Probe Proxy Volume）；GDC上各种GI分享（某版COD）；还有之前我给项目实现的类似UE VLM的功能，都存在这个问题。和很多技术人员一样，一看到行业困难的技术点，就会自己动脑想一套更好的方案来解决它，因为这样可以名正言顺的造轮子。

GAMES202里GI部分提及的漏光问题

Unity LPPV 漏光问题

基础思路

被墙隔离的探针关系

根本的原因当然是探针的密度不可能无限密，而且分空间的表面可以没有厚度。而一般的探针信息里并没有描述空间划分的逻辑，上图中只有红色探针往左和绿色探针往右2个区域是正确的，中间的插值就出错了。所以，所有的思路都是去描述空间的划分，或表面上一个像素与体素的归属关系修复上，就是让A点只采样红色探针，B点只采样绿色探针，因为他们的空间归属如此。

方案1：Bent Normal偏移

我没有把简单Normal偏移作为一种方案，因为这种太基础了。而我在写初版VLM的时候就顺手写了出来，基本是非常容易想到的，而且效果也不够好。看下图，AB有个简单的区分方式，就是它们法线不同，沿着各自法线方向去取探针，会得到正确的结果，也让它们跳出了中间的错误插值地段。但是，墙面不会总是简单的一个方向，有些横梁等结构会像黄色一样，法线偏移后依然是错误的探针。因为AB两个面的这种结构法线完全一样，无法区分彼此，还有更严重的问题是，当角色从A面靠近墙面的时候，靠墙的这部分角色法线是朝右边的，所以导致A处的角色显示绿色的GI。

法线方向偏移采样的问题

所以，我想到了用更大尺度的法线来描述总体法线朝向（或可见度方向）。首先想到是屏幕空间Normal的Mipmap，但是屏幕空间有相机外丢失信息的天然弊端，所以后面选择了离线制作场景的Bent Normal，正确做法应该是对应Lightmap，用UV2解析。但为了演示方便我写到了顶点上。

计算Bent Normal到顶点上

测试下效果，用2个非垂直（垂直问题小很多）交叉隔开的4个空间，分别打3个不同颜色的灯，不打灯的空间为黑色换角色，然后每0.5米一个探针，均匀放置探针，并创建出3DTexture。可以看到Normal偏移在非交叉处是对的，偏移方向就刚好是法线方向。

测试的模型

Bent Normal与Normal的效果对比

Bent Normal算法
Bent Normal的离线计算是比较常见的技术。原理就是对某个点，法线所在的半球方向随机发出很多射线，没有发生碰撞的那些方向全部加起来，然后归一化。很像初中物理里求一堆力的合力，简单相加符合的力就可以，但是这种简单的计算依然会出现小的漏光，加强版里解决。

Bent Normal基础版算法

基础版 发射射线

这个图里，黑色的Mesh与绿色Mesh相交，那么露出的顶点显示的红色Bent Normal方向是对的，但是最右边的顶点因为在物体内部，所以它没有计算出Bent Normal，这样渲染的黄色部分的Bent Normal是左右2个顶点插值的结果，就导致黄色的Bent Normal偏移角度不够，依然会插值到绿色框内部或右面的探针而产生漏光。

具体的改善是不要原点发射方向，而是沿着射线方向偏移一点再发射。如下图，再考虑射线的双向碰撞检测，就可以抛弃蓝色碰撞部分，获得绿色部分的合成，这样得到顶点Bent Normal（黄色），会更符合环境描述，使红黄2个插值的结构也更正确。

高级版发射射线

Bent Normal 高级版算法

该方法最终效果，关于动态对象，不能取这份数据，需要逐对象分帧每帧发射一条射线，累积附近的偏移方向判断（实时Bent Normal计算）。

方案2：DistanceProbe

同样是空间划分的描述，我们可以记录下碰撞体距离，根据是否大于距离判断是否取对面，总之在这种过渡位置不插值，要么取x处，要么取x+1处探针，取哪个根据ShadingPoint与Probe的距离是否大于提前记录的Probe到障碍物距离来定。

下图所示，绿色圈表示当前ShadingPoint位置；2个红圈表示用来插值的2个Probe颜色。为了直观只演示x方向上的判断。

1. 左边红圈处没有记录往右存在1米内的碰撞，所以直接取x与x+1，2个红圈位置的Probe颜色来插值。

直接用2个红圈插值

2. 右边存在碰撞，但与ShadingPoint距离小于与碰撞体的距离，那么就直接取x处Probe颜色为ShadingPoint颜色。

红圈右边存在碰撞，但与ShadingPoint距离小于与碰撞体的距离

3. X处右边存在碰撞，与ShadingPoint距离大于与碰撞体的距离，那么就直接取x+1处Probe颜色为ShadingPoint颜色。

x右边存在碰撞，与ShadingPoint距离大于与碰撞体的距离

所以只要把偏移数据再创建一个3DTexture来存储，设置为Point Filter，即可实现功能。

看下效果（每米增加到8个Probe的效果）。

这种方式有2个问题：

1. 需要较高的摆放密度。这是因为同一个空间内比如方案1里的（0.5x0.5x0.5）内，只记录一个到x+方向的float距离，（y+、z+同理都是一个float），但是一个空间内不同位置的距离应该是不同的，所以需要尽量让这个单位空间去小的范围。
2. 这种距离固定是只出现在碰撞面刚好与xyz坐标轴垂直的情况下，如果表面不是轴对齐， 那么一个小空间内也不能用一个float描述距离，这时候需要记录平面方程来判断空间划分，而不是一个float的Distance，存储容量x4，而实际工程中一定是需要支持非轴对齐的情况的，除非无限细分空间。

左边是非轴对齐表面，右边是轴对齐表面

关于动态对象，这个算这个方案的优势之处，因为存储的是空间信息，所以任何ShadingPoint都能根据WorldPosition直接获取偏移量，得到正确数据。

方案3：Decal Offset

前面2种方案都需要受到体素/空间划分密度影响，这是因为它们都是均匀摆放，导致一些位置受限。所以还有一种更直观的想法，就是我可以把某个不规则空间内应该往哪个方向偏移记录起来，等采样的时候访问。这种记录可以在任意位置（不需要均匀间隔），任意形状大小（为了方便用Cube形状，但支持任何大小）。至于如何区分哪些是框住的部分，只要类似延迟贴花，算对象空间内坐标是否<0.5即可（Cube中心对象空间内xyz任何一方>0.5都不在Cube包含范围内）。

从顶视图看，我们为其中一个空间摆放3个偏移Cube，预计算每个Cube中心的非遮挡范围的中心方向（可见度Cone的轴线方向）为箭头所示，并把这个方向当作颜色为3个Cube渲染到单独RendererTexture。

为3个位置摆放Cube，确保Cube中心的可见度/非遮挡方向为所覆盖像素的偏移方向

3个Cube 把自己中心可见度Cone轴线方向作为颜色渲染到RT上

该方案最终效果：

可以看到，漏光基本修复了，但是Cube之间有接缝，这个需要多摆放一份Cube让偏移方向可以过渡，或者对相邻Cube做Fade，类似Reflection Probe的2个Fade。

这种方案，因为Cube数量多而材质统一顶点数少，在正式工程，肯定用GPU Culling来做，HZB等做剔除后，绘制Instance性能很高。对于动态物体因为也是描述空间而非表面，所以可以直接支持。

3种方案Demo的源文件工程：
https://github.com/jackie2009/Probe_Light_Leak

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