在Unity中实现屏幕空间反射Screen Space Reflection（1）

本篇文章我会介绍一下我自己在Unity中实现的SSR效果

出发点是理解SSR效果的原理，因此最终效果不是非常完美的（代码都是够用就行），但是从学习的角度来说足以学习到SSR中的核心算法。

如果对核心算法没有兴趣，可以直接使用Unity官方的PostProcessing库，其中包含了一个SSR效果。（其实现来自于casual effects）

参考资料：
https://github.com/Unity-Technologies/PostProcessing
http://www.kode80.com/blog/2015/03/11/screen-space-reflections-in-unity-5/
http://casual-effects.blogspot.com/2014/08/screen-space-ray-tracing.html

完成的工程：
https://github.com/yangrc1234/ScreenSpaceReflection

目前只在2017.1、DirectX下实现，没有进行其他测试。除非以后有需求，否则可能不会更新这个repo，毕竟官方已经有解决方案了，没必要重复造轮子。这个repo用于学习目的就行了。

一些shader的宏、变量可能是2017.1才有的，如果老版本编译不过欢迎提issue。

第一部分包含屏幕空间反射的定义、以及一个最初步的实现。

屏幕空间反射

屏幕空间反射是一个后处理效果。通过对屏幕空间的画面，按一定方式投射光线，采样光线路径上的像素，得到一个点上的反射颜色。

比如说，对于一个像素A，我们去计算它的反射。要计算反射，我们必须要知道视线方向和该点的空间位置以及的法线方向，从而计算出光线的方向。
视线方向好说，空间位置，我们可以从深度贴图中还原出来。法线方向意味着屏幕空间反射只能在Deferred Rendering下进行。在Deferred Rendering下我们可以轻松的从GBuffer中得到一个点的法线方向。

获取这些信息后，我们就可以开始投射光线了。每次光线步进，我们都将当前位置的点再投影到屏幕空间上，去采样屏幕上的像素。如果我们计算得到（如何计算等下再说）该像素是光线路径上的一点，我们就可以将该点返回作为结果了。

以下是实际代码：

1.     [ImageEffectOpaque]
   
2.     private void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination) {
   
3.         mat.SetTexture("_BackfaceTex", GetBackfaceTexture());
   
4.         mat.SetMatrix("_WorldToView", GetComponent().worldToCameraMatrix);        //emmmmm不知道为什么UNITY_MATRIX_V在这里变成了一个单位矩阵。需要手动设置world to view的矩阵。
   
5.         Graphics.Blit(source, destination, mat,0);   
   
6.     }

复制代码

1.             v2f vert (appdata v)
   
2.             {
   
3.                 v2f o;
   
4.                 o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
   
5.                 o.uv = v.uv;
   
6.                 float4 cameraRay = float4(v.uv * 2.0 - 1.0, 1.0, 1.0);    //作为一个后期特效，我们可以通过uv坐标，来获得相机光线方向。注意坐标z为1.0，这里的cameraRay是从原点到far clip plane的光线
   
7.                 cameraRay = mul(unity_CameraInvProjection, cameraRay);    //将相机光线从clip space转移到view space
   
8.                 o.csRay = cameraRay / cameraRay.w;           
   
9.                 return o;
   
10.             }
    
11. 
    
12.                         fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
    
13.             {
    
14.                 float decodedDepth = Linear01Depth(tex2D(_CameraDepthTexture, i.uv).r);   
    
15.                 float3 csRayOrigin = decodedDepth * i.csRay;        //因为i.csRay是指着far clip plane的光线，此时csRayOrigin是view space的光线起点
    
16.                 float3 wsNormal = tex2D(_CameraGBufferTexture2, i.uv).rgb * 2.0 - 1.0;    //世界坐标系下的法线
    
17.                 float3 csNormal = normalize(mul((float3x3)_WorldToView, wsNormal));    //将转换到view space
    
18. 
    
19.                                 float2 hitPixel;
    
20.                 float3 debugCol;
    
21.                                        
    
22.                 if (traceRay(        //检测相交
    
23.                         csRayOrigin,
    
24.                         normalize(reflect(csRayOrigin, csNormal)),
    
25.                         hitPixel,    //out
    
26.                         debugCol))    //out
    
27.                 {
    
28.                         reflection = (1 - rayPercent) * tex2D(_MainTex, hitPixel);
    
29.                 }
    
30.                 //return float4(debugCol, 1);
    
31.                 return tex2D(_MainTex, i.uv) + tex2D(_CameraGBufferTexture1,i.uv) * half4(reflection,1);
    
32.             }

复制代码

在traceRay方法中，我们进行实际的光线投射、相交检测。

traceRay的签名中我设置了一个debugCol的参数，当我需要debug这个函数时，我将需要debug的内容放到debugCol中，在main里输出debugCol的颜色。这只是我个人的习惯。

对于反射颜色的计算，我只是简单的获取了那个像素的颜色，然后加到输出里去而已。事实上，因为我们是在Deferred rendering模式下，我们可以获取到该点的所有的用于着色的信息，用这些信息我们可以进行一次完整的基于物理着色。在PostProcessing中的SSR就是这么做的，可以参考一下。