几何特征系列：Ambient Occlusion（环境光遮蔽）

2016-06-24 LEEMANCHIU

计算机图形学的项目中，经常会涉及到一些几何特征，于是打算写一系列关于几何特征的文章。这篇文章将介绍 Ambient Occlusion，中文名译作「环境光遮蔽」，是一种光照模型，它会计算像素亮度与场景中的附近物体之间的关系，时常会出现在游戏或电影的渲染技术中，但同时它也可作为一种三维几何特征，度量三维模型点的遮挡情况。

Ambient Occlusion 的介绍

Ambient Occlusion 是一种计算机图形学中描述环境光阴影的视觉效果，最早是在 Siggraph 2002年会上由 Industrial Light and Magic（工业光魔）的技术主管 Hayden Landis 所展示。这项技术之所以重要是因为它解决或改善了场景中缝隙、褶皱、接触面以及细小物体靠近等的空间的层次感问题，通过综合改善暗部阴影，同时加强画面明暗对比，增强了画面的真实感。其工作原理简单来说，就是当某些物体阻挡了相当数量的本应投射到其他物体的光线时，被光线阻挡的地方亮度值便会降低。越多光线被阻挡，表面则变得越暗。

真实的图形画面为了逼真光影效果需要全局光照，而光线追踪是实现全局光照完美效果的最佳技术方式之一，其技术实现方式最接近现实的物理模型，但是由于效率较低，所以很难在游戏等实时场景中使用。目前，为了让游戏实现全局光照的效果，实际并不会使用光线追踪的方式，而是通过多种技术方式共同达成这一效果，其中就用到了 Ambient Occlusion。Ambient Occlusion 实现方式并未严格遵循现实的物理模型，但能给出精确和平滑的阴影去模拟全局照明的结果，因为效率高，因此被广泛地应用于游戏之中。它主要是通过改善阴影来现实更好的图像细节，尤其在场景物体很多从而到处阻挡着光线导致间接照明不足时，Ambient Occlusion 的作用会更加明显。在一般的游戏中，Ambient Occlusion 可能会以 HBAO（Horizon Based Ambient Occlusion）或 SSAO（Screen Space Ambient Occlusion）列在图形选项菜单中，分别译作「水平基准环境光遮蔽」和「屏幕空间环境光遮蔽」。这两者均表示环境光遮蔽，而水平基准环境光遮蔽是屏幕空间环境光遮蔽的一种优化形式。

下面提供一个 Ambient Occlusion 实例。

图片左边是一条的 Standford Dragon 的简单模型，呈现在一个均匀照明的环境中。尽管模型中有一些明暗不同的区域，但大部分光照都是均匀的。虽然模型有着相当复杂的几何形状，但看上去比较光滑平坦，没有明显的深度感觉。

而图片右边是启用了 Ambient Occlusion 的相同模型。使用了 Ambient Occlusion 后，明显的变化是图像中添加了一些包围模型的平滑阴影，基于 Ambient Occlusion 的阴影具有柔和、平滑的层次感。完全暴露在周围环境中的区域（如龙鳍）显得更亮，而光线受阻的区域（如龙的腹部）则显得更暗。

如果用 Ambient Occlusion 作为一个几何特征，值越高的地方就代表越光亮，值越低的地方代表越暗。可以根据 Ambient Occlusion 的几何意义，区分三维模型上有无遮挡的部分。

Ambient Occlusion 的原理

Ambient Occlusion 采用快速而廉价的算法来模拟全局照明模式，下面将简单介绍算法的原理。

其计算过程大致是在三维几何模型表面任意一点的上方，用半径预定的半球探测该点的外部区域，判定光线在该点处被几何体遮挡的情况。一旦各点的遮挡程度确定，三维模型表面将形成一张灰度级的映射图，反映了对环境光吸收的强弱程度。

表面上对于点 ${\bar p}$ 且法向为 ${\hat n}$ 的遮蔽 ${A_{\bar p}}$ ，可通过以下公式在半球面 $\Omega$ 范围内积分求得：

${A_{\bar p}} = \frac{1}{\pi }\int_\Omega {V_{\bar p,\hat \omega }\left( {\hat n \cdot \hat \omega } \right)}\,d\omega$

其中 ${{V_{\bar p,\hat \omega }}}$ 为点 ${\bar p}$ 的可见性函数，若点 ${\bar p}$ 在方向 ${\hat \omega }$ 上受到遮蔽，则该可见性函数定义为零， $d\omega$ 为积分变量 ${\hat \omega }$ 的立体角微分。

Ambient Occlusion 的实现

在实际项目中，最简单也最为常用的实现方法是利用蒙特卡罗方法的思路，从每个点在半球范围内投射一定数量的射线，并统计射线相交的数量占总射线的比例。参考伪代码如下：

For each triangle {
    Compute center of triangle
    Generate set of rays over the hemisphere there
    Vector avgUnoccluded = Vector(0, 0, 0);
    int numUnoccluded = 0;
    For each ray {
        if (ray doesn't intersect anything) {
            avgUnoccluded += ray.direction;
            ++numUnoccluded;
        }
    }
    avgUnoccluded = normalize(avgUnoccluded);
    accessibility = numUnoccluded / numRays;
}