GAMES202——作业3 Screen Space Ray Tracing

news2025/11/4 23:11:06

任务

为场景实现屏幕空间的全局光照效果

1.直接光照：实现ssrFragmentShader中的EvalDiffuse(wi, wo, uv) 和EvalDirectionalLight(uv) 函数，并在 main 函数中实现直接光照的效果。

2.屏幕空间光线求交：实现RayMarch(ori, dir, out hitPos) 函数。RayMarch 函数的返回值为是否相交，当相交的时候需要将参数 hitPos设置为交点。参数 ori 和 dir 为世界坐标系中的值，分别代表光线的起点和方向，其中方向向量为单位向量。

3.间接光照：在 main 函数中实现间接光照，使用蒙特卡洛方法求解渲染方程。

实现

EvalDiffuse

该函数是计算diffuse材质的BSDF的，功能简单，其实就是之前101的内容。这里将EvalDiffuse看作渲染方程的f，但是由于计算间接光照的伪代码没有给出cos项，因此这里多乘以一个cos项。另外提一下，这里的INV_PI是PI的倒数，因为在计算机里乘法计算比除法计算更快，因此预定义一个INV_PI能加速渲染。

vec3 EvalDiffuse(vec3 wi, vec3 wo, vec2 uv) {
  vec3 diffuse  = GetGBufferDiffuse(uv);
  vec3 normal = GetGBufferNormalWorld(uv);
  float cos = max(0., dot(normal, wi));
  return diffuse * cos * INV_PI;
}

EvalDirectionLight

直接使用题目提供的API，简短两行

vec3 EvalDirectionalLight(vec2 uv) {
  float visibility = GetGBufferuShadow(uv);
  return visibility * uLightRadiance;
}

RayMarch

按照202课上的原理，在着色点的位置开始，以某个方向射出光线，一步步向前试探找到交点。有交点的条件是：试探的点的深度比屏幕空间的该位置的深度更深（也就是在屏幕空间一直走直到被遮挡住，这时候说明有交点）。

bool RayMarch(vec3 ori, vec3 dir, out vec3 hitPos) {
  //定义一个最大步数防止没有找到交点而无限前进
  const int maxStep = 100;
  float stepSize = 0.05;
  vec3 stepDir = normalize(dir) * stepSize;

  for(int step=0; step< maxStep ; step++){
    float depth = GetDepth(ori);
    vec2 screenUV = GetScreenCoordinate(ori);
    float screenDepth = GetGBufferDepth(screenUV);

    if(depth > screenDepth + 0.0001){
      hitPos = ori;
      return true;
    }

    ori += dir;
  }

  return false;
}

main里用蒙特卡洛方法解渲染方程

这里渲染方程没有cos项，cos项在上面的EvalDiffuse已经实现。

将其转化为代码，这里有需要注意的地方就是direction是局部坐标系的。在101中的作业3里做bumper时，我们使用TBN矩阵来将切线坐标系转化为世界坐标系。将切线坐标系转化为世界坐标系其实还需要uv坐标来确定，因为需要知道某个三角形在纹理上的位置。而这里只涉及方向的转化不涉及位置，所以直接使用TBN矩阵就能获得direction转化到世界坐标的朝向。作业框架里给我们提供了LocalBasis函数来获取两个切线。因此获取坐标系的三个方向后，使用它们创建一个TBN矩阵。

vec3 inDirectLight = vec3(0.0);
  for(int i =0;i<SAMPLE_NUM;i++){
    float pdf;
    vec3 direction = SampleHemisphereUniform(s,pdf);

    vec3 b1,b2;
    LocalBasis(normal,b1,b2);
    mat3 rotateMatrix = mat3(normal,b1,b2);
    direction = normalize(rotateMatrix * direction);
    vec3 hitPos;
    if(RayMarch(pos,direction,hitPos)){
      vec2 hitUV = GetScreenCoordinate(hitPos);
      inDirectLight += EvalDiffuse(direction,wo,uv)/pdf * EvalDiffuse(wi,direction,hitUV) * EvalDirectionalLight(hitUV);
    }
  }
  inDirectLight /= float(SAMPLE_NUM);
  L += inDirectLight;

整个的main代码

vec3 EvalReflect(vec3 wi,vec3 wo,vec2 uv){
  vec3 pos = GetGBufferPosWorld(uv);
  vec3 normal = GetGBufferNormalWorld(uv);

  vec3 dir = normalize(reflect(-wo,normal) );
  vec3 hitPos;
  if(RayMarch(pos,dir,hitPos)){
    vec2 hitUV = GetScreenCoordinate(hitPos);
    return GetGBufferDiffuse(hitUV);
  }

  return vec3(0.0,0.0,0.0);
}

#define SAMPLE_NUM 3

void main() {
  float s = InitRand(gl_FragCoord.xy);

  vec3 pos = vPosWorld.xyz;
  vec2 uv = GetScreenCoordinate(pos);
  vec3 wi = normalize(uLightDir);
  vec3 wo = normalize(uCameraPos - pos );
  vec3 normal = GetGBufferNormalWorld(uv);


  //vec3 L = vec3(0.0);
  //L = GetGBufferDiffuse(GetScreenCoordinate(vPosWorld.xyz));  //初始的无阴影着色

  vec3 L = EvalDiffuse(wi,wo,uv) * EvalDirectionalLight(uv);  //用于调试带阴影的着色
  //L = ( L + EvalReflect(wi,wo,uv) ) / 2.0;  //用于调试反射

  vec3 inDirectLight = vec3(0.0);
  for(int i =0;i<SAMPLE_NUM;i++){
    float pdf;
    vec3 direction = SampleHemisphereUniform(s,pdf);

    vec3 b1,b2;
    LocalBasis(normal,b1,b2);
    mat3 rotateMatrix = mat3(normal,b1,b2);
    direction = normalize(rotateMatrix * direction);
    vec3 hitPos;
    if(RayMarch(pos,direction,hitPos)){
      vec2 hitUV = GetScreenCoordinate(hitPos);
      inDirectLight += EvalDiffuse(direction,wo,uv)/pdf * EvalDiffuse(wi,direction,hitUV) * EvalDirectionalLight(hitUV);
    }
  }
  inDirectLight /= float(SAMPLE_NUM);
  L += inDirectLight; 

  vec3 color = pow(clamp(L, vec3(0.0), vec3(1.0)), vec3(1.0 / 2.2));
  gl_FragColor = vec4(vec3(color.rgb), 1.0);
}