作者:i_dovelemon

日期:2020-06-23

主题:Screen Space Planar Reflection, Compute Shader

引言

前段时间,同事发来一篇讲述特化版本的 Screen Space Reflection 实现 Planar Reflection 的文章。出于好奇,实验了下,看看效果如何。如下是目前实现出来的基础版本的效果:

原理

对于上图来说, Water Plane 表示水面,上半部分为实际场景的山体,下半部分为以水面为镜像进行反射之后的山体效果。

对于山体上某一个点(图中白色点)来说,它对应的镜像点为黄色点。

我们可以从 Screen Position 以及 Depth Texture 信息,计算出来白点的世界坐标位置 WorldPosition

然后可以以 Water Plane 所在的平面对该 WorldPosition 作镜像操作,得到 ReflectionPosition

得到 ReflectionPosition 之后,我们就能够计算出来 ReflectionPostion 所对应的屏幕坐标 Reflection Screen Position

根据前面的操作,我们就可以知道,此时 Reflection Screen Position 所反射的颜色即为 Screen Positon 所表示的颜色。

基础原理十分简单,但是实际实现的时候,会发现有很多问题。接下里一一讲述。

问题

闪烁

根据上面的原理,可以想到,有多个像素可能会被反射到相同的位置,如下图所示:

这样由于 GPU 执行顺序的不确定性,就会导致画面出现闪烁,如下所示:

针对这样的问题,我们实际需要的反射点是最近的反射点。可以考虑使用 HLSL 中提供的 InterlockedMin/InterlockedMax (参考[1],[2]) 之类的指令,在写入数据时进行大小比较,从而实现保存最近反射点的功能。

前面的指令虽然能够实现大小比较,以此进行排序。但是根据前面的描述,我们实际保存的是反射点的颜色。没有办法只根据颜色进行排序,所以我们需要保存其他便于排序的信息,这里选择使用反射点的 Screen Position。并且按照如下方式进行编码,从而实现获取最近反射点的效果:

                        uint2 SrcPosPixel = uint2(DepthPos.x, DepthPos.y);
uint2 ReflPosPixel = ReflPosUV * uint2(ReflectWidth, ReflectHeight); int Hash = SrcPosPixel.y << | SrcPosPixel.x;
int dotCare = ;
InterlockedMin(HashResult[ReflPosPixel], Hash, dotCare);

Encode and Sort

孔洞

根据先前算法的描述,我们知道,我们先要根据 Depth 信息和 Screen Position 信息计算出 World Positon,然后镜像之后,在转化为新的屏幕坐标。在这一系列操作中,由于数值计算的不精确性,导致有些地方没有存储到有效的反射点位置信息,从而导致最终显示时画面上有孔洞的情况,如下图所示:

幸运的是,从结果看这些孔洞并不会聚集在一起,形成大块的黑块。对于这种情况,我们只要在生成反射贴图的时候,检测到没有保存有效位置信息时,遍历下周围的像素,寻找到一个拥有有效像素的值即可解决这个问题,如下代码所示:

        uint Hash = HashTexture[id.xy].x;
if (Hash == 0x0FFFFFFF)
Hash = HashTexture[uint2(id.x, id.y + )].x;
if (Hash == 0x0FFFFFFF)
Hash = HashTexture[uint2(id.x, id.y - )].x;
if (Hash == 0x0FFFFFFF)
Hash = HashTexture[uint2(id.x + , id.y)].x;
if (Hash == 0x0FFFFFFF)
Hash = HashTexture[uint2(id.x - , id.y)].x; if (Hash != 0x0FFFFFFF)
{
uint x = Hash & 0xFFFF;
uint y = Hash >> ;
ReflectionTexture[id.xy] = ColorTexture[uint2(x, y)];
}
else
{
ReflectionTexture[id.xy] = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
}

Hole

如下是修正孔洞之后的效果:

实现

本文的代码是使用 Unity 实现的,实现起来比较简单。比较坑的地方在于 Unity 里面获取 Projection Matrix 要通过 GL.GetGPUProjectionMatrix (文献[3]) 转化一下才能变成传递到 GPU 上用于渲染的投影矩阵。如下是功能核心的 Compute Shader 代码:

// Each #kernel tells which function to compile; you can have many kernels
#pragma enable_d3d11_debug_symbols
#pragma kernel SSPRClear_Main
#pragma kernel SSPRHash_Main
#pragma kernel SSPRResolve_Main //-----------------------------------------------------------------
float4x4 VPMatrix;
float4x4 InvVPMatrix;
uint Width;
uint Height;
uint ReflectWidth;
uint ReflectHeight; //--------------------------------------------------------------------
RWTexture2D<int> ClearHashTexture; [numthreads(, , )]
void SSPRClear_Main(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
if (id.x < ReflectWidth && id.y < ReflectHeight)
{
ClearHashTexture[id.xy] = 0x0FFFFFFF;
}
} //---------------------------------------------------------------
Texture2D<float> DepthTex;
RWTexture2D<int> HashResult; #define DownSampleFactor (1) float3 Unproject(float3 clip)
{
float4 clipW = float4(clip, 1.0f);
clipW = mul(InvVPMatrix, clipW);
clipW.xyz = clipW.xyz / clipW.w;
return clipW.xyz;
} float2 Project(float3 world)
{
float4 worldW = float4(world, 1.0f);
worldW = mul(VPMatrix, worldW);
worldW.xy = worldW.xy / worldW.w;
worldW.xy = (worldW.xy + float2(1.0f, 1.0f)) / 2.0f;
return worldW.xy;
} [numthreads(, , )]
void SSPRHash_Main(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
for (uint i = ; i < DownSampleFactor; i++)
{
for (uint j = ; j < DownSampleFactor; j++)
{
uint2 DepthPos = uint2(id.x * DownSampleFactor + i, id.y * DownSampleFactor + j);
if (DepthPos.x < Width && DepthPos.y < Height)
{
float depth = DepthTex.Load(int3(DepthPos.x, DepthPos.y, )).x; if (depth > 0.0f)
{
float2 uv = (DepthPos.xy * 1.0f) / float2(Width, Height);
uv = uv * 2.0f - float2(1.0f, 1.0f);
uv.y = -uv.y; float3 PosWS = Unproject(float3(uv, depth)); if (PosWS.y > 0.0f)
{
float3 ReflPosWS = float3(PosWS.x, -PosWS.y, PosWS.z);
float2 ReflPosUV = Project(ReflPosWS); uint2 SrcPosPixel = uint2(DepthPos.x, DepthPos.y);
uint2 ReflPosPixel = ReflPosUV * uint2(ReflectWidth, ReflectHeight); int Hash = SrcPosPixel.y << | SrcPosPixel.x;
int dotCare = ;
InterlockedMin(HashResult[ReflPosPixel], Hash, dotCare);
}
}
}
}
}
} //------------------------------------------------------------------------------
Texture2D<int> HashTexture;
Texture2D<float4> ColorTexture;
RWTexture2D<float4> ReflectionTexture; [numthreads(, , )]
void SSPRResolve_Main(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
if (id.x < ReflectWidth && id.y < ReflectHeight)
{
uint Hash = HashTexture[id.xy].x;
if (Hash == 0x0FFFFFFF)
Hash = HashTexture[uint2(id.x, id.y + )].x;
if (Hash == 0x0FFFFFFF)
Hash = HashTexture[uint2(id.x, id.y - )].x;
if (Hash == 0x0FFFFFFF)
Hash = HashTexture[uint2(id.x + , id.y)].x;
if (Hash == 0x0FFFFFFF)
Hash = HashTexture[uint2(id.x - , id.y)].x; if (Hash != 0x0FFFFFFF)
{
uint x = Hash & 0xFFFF;
uint y = Hash >> ;
ReflectionTexture[id.xy] = ColorTexture[uint2(x, y)];
}
else
{
ReflectionTexture[id.xy] = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
}
}
}

ScreenSpacePlanarReflection

结论

本文只是探索这个方法的可能性,更加复杂的实现,更加高效的优化可以参考文献[4][5],这也是本文主要参考的对象。

相比于传统的绘制场景两边的方法来说,这个方案的性能更加高效,同时也没有 SSR 那样的高需求。在条件满足的情况下,使用该方案能够带来显著的效果提升,推荐可以尝试。

完整代码在这里:https://github.com/idovelemon/UnityProj/tree/master/ScreenSpacePlanarReflection

参考文献

[1] HLSL-InterlockedMax

[2] HLSL-InterlockedMin

[3] GL.GetGPUProjectionMatrix

[4] Screen Space Planar Reflection

[5] Optimized Pixel Projected Reflections for Planar Reflectors

GraphicsLab Project 之 Screen Space Planar Reflection的更多相关文章

  1. GraphicsLab Project学习项目

    作者:i_dovelemon 日期:2016 / 05 / 30 主题:3D,Graphics 引言 进公司以来,主要在学习的就是如何保证代码的质量,以前热爱的图形学也放置了.但是,作为游戏程序员,特 ...

  2. screen space reflection/soft alpha test/

    http://www.crytek.com/cryengine/presentations/secrets-of-cryengine-3-graphics-technology 很多宝贝里面 不止题目 ...

  3. 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 ...

  4. 在Unity中实现屏幕空间反射Screen Space Reflection(2)

    traceRay函数 在上一篇中,我们有如下签名的traceRay函数 bool traceRay(float3 start, float3 direction, out float2 hitPixe ...

  5. GraphicsLab Project之Diffuse Irradiance Environment Map

    作者:i_dovelemon 日期:2020-01-04 主题:Rendering Equation,Irradiance Environment Map,Spherical Harmonic 引言 ...

  6. 基于屏幕空间的实时全局光照(Real-time Global Illumination Based On Screen Space)

    目录 Reflective Shadow Maps(RSM) RSM 的重要性采样 RSM 的应用与缺陷 Screen Space Ambient Occulsion(SSAO) SSAO Blur ...

  7. screen space shadowmap unity

    unity用到了screen space shadow map 1.camera 在light pos 生成depth1 2.screen space depth2 3.根据depth1 depth2 ...

  8. GraphicsLab Project之辉光(Glare,Glow)效果 【转】

    作者:i_dovelemon 日期:2016 / 07 / 02 来源:CSDN 主题:Render to Texture, Post process, Glare, Glow, Multi-pass ...

  9. updatedepthtexture 和 screen space shadow 开关

    2018.0.3f 里面directional light开了shadow 就会有一张updatedepth 如果距离远 没有阴影就没有shadow pass 但是updatedepth没有关掉 管线 ...

随机推荐

  1. Chisel3 - Tutorial - ByteSelector

    https://mp.weixin.qq.com/s/RQg2ca1rwfVHx_QG-IOV-w   字节选择器.   参考链接: https://github.com/ucb-bar/chisel ...

  2. 【Flume】知识总结

    Flume是Cloudera提供的一个高可用的,高可靠的,分布式的海量日志采集.聚合和传输的系统,Flume支持在日志系统中定制各类数据发送方,用于收集数据:同时,Flume提供对数据进行简单处理,并 ...

  3. Java 异常(一) 异常概述及其架构

    Java 异常(一) 异常概述及其架构 一.异常概述 (一).概述 Java异常是Java提供的一种识别及响应错误的一致性机制.异常指的是程序在执行过程中,出现的非正常的情况,最终会导致JVM的非正常 ...

  4. Java实现 LeetCode 85 最大矩形

    85. 最大矩形 给定一个仅包含 0 和 1 的二维二进制矩阵,找出只包含 1 的最大矩形,并返回其面积. 示例: 输入: [ ["1","0","1 ...

  5. Java实现One-way traffic(单向交通)

    One-way traffic In a certain town there are n intersections connected by two- and one-way streets. T ...

  6. Java实现第十届蓝桥杯迷宫

    试题 E: 迷宫 本题总分:15 分 [问题描述] 下图给出了一个迷宫的平面图,其中标记为 1 的为障碍,标记为 0 的为可 以通行的地方. 010000 000100 001001 110000 迷 ...

  7. java实现第六届蓝桥杯九数分三组

    九数分三组 题目描述 1~9的数字可以组成3个3位数,设为:A,B,C, 现在要求满足如下关系: B = 2 * A C = 3 * A 请你写出A的所有可能答案,数字间用空格分开,数字按升序排列. ...

  8. 一文带你了解ANR(测试人员)

    一.首先,了解一下什么是ANR ANR,是"Application Not Responding"的缩写,即"应用程序无响应".系统会向用户显示一个对话框,用户 ...

  9. mysql8.0 Mac下的安装

    一.下载及安装 首先去官网下载mac对应版本的Mysql,尾缀为.dmg的程序包 下载地址:https://dev.mysql.com/downloads/mysql/ 二.启动 在 Setting ...

  10. pom.xml 文件详解

    <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/20 ...