UnityShader 基于物理的体积光（丁达尔光线）

体积光在现实世界中也叫丁达尔光

体积光在网上也有很多个版本，但是大多数是以光照贴图作为参考最想进行比较。这样的尽管可以很轻松方便的实现出体积光，但是他的硬伤确实精细度太低了，完全无法复原出体积光该有的朦胧的感觉。（如下）https://blog.csdn.net/weixin_32938207/article/details/113035729

实现效果如下

黄昏

清晨

光线模拟

其基本原理很简单，网上的原理是根据光照深度map于当前的世界坐标点做对比，如果高于光照深度map，就进行采样计算光照。呢么同理，我们是需要把光照深度map替换成自定义的太阳Depth图。这么一说可能跨度有点大，那么下面我们一步一步仔细给大家讲解实现过程。

丁达尔光线物理原理

丁达尔光是什么
在这里插入图片描述

当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，其原理是光被悬浮的胶体粒子所散射。所以胶体粒子散射入射光产生了肉眼可见的光路，被称作丁达尔效应。

丁达尔效应的发现

约翰·丁达尔是英国著名物理学家。他于1869 年发现了丁达尔效应，也是首次解释了为什么天空是蓝色的科学家。
当光线射向分散体系时，只有一部分光能够通过体系，剩余部分则被反射、散射或吸收。体系内物质的化学组成决定了光的吸收量，而体系的分散程度决定了光的散射和反射量。当分散相粒子直径大于入射光的波长时，主要发生光的反射和折射;当入射光照射到直径小于光波长的分散粒子时，则主要发生散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。
这里我们可以发现，我们要实现体积光找，我们必须沿着视角方向的光路，进行逐段落采样，获取该光点的光线信息（光的吸收量，散射和反射量等）
在这里插入图片描述

自定义太阳
我们获取深度图的第一个方式就是通过摄像机获取他的深度贴图，这是我们要注意性能的效果，但是获取深度贴图是一个比较耗时的操作，我们不能直接通过depthTextureMode获取深度图，毕竟代价很大，所以我们需要自己申请两个rendertexture，用来存储从GPU传过来的深度贴图和颜色贴图

   void Start()
    {
    
    
        colorRT = new RenderTexture(Screen.width, Screen.height, 24, RenderTextureFormat.Default);
        depthRT = new RenderTexture(Screen.width, Screen.height, 0, RenderTextureFormat.Depth);
    }
    private void OnPreRender()
    {
    
    
        cam.SetTargetBuffers(colorRT.colorBuffer, depthRT.depthBuffer);
    }

自定义太阳视椎体平面提取

若通过解析方法计算射线与探照灯的投影锥体表面交点，需要首先得到该锥形体的平面方程。Gribb 等人提出了通过投影矩阵快速得到投影平锥体6个平面方程的方法[5]，这里简单介绍一下其思路。

设从世界空间到摄像机观察空间的矩阵为 V，投影矩阵 P，我们令 M=PV 为摄像机的 ViewProjection 矩阵。对于空间中任意一点 p = (x, y, z, 1)，通过与 ViewProjection 矩阵相乘得到其在裁剪空间下的坐标，并经过齐次除法后得到 NDC 坐标。
如果我们令 ViewProjection 矩阵中4的4行分别为 m_1, m_2, m_3, m_4 ，即

那么 p 在裁剪空间下的坐标为

p 在 NDC 空间下的坐标可以通过下式计算

不妨以左裁剪平面为例，其平面方程在 NDC 空间下为 x_{NDC} = -1 ，即

即是一个平面的标准方程 Ax + By + Cz + D = 0 的向量形式 (A, B, D, D) dot (x, y, z, 1) = 0 ，而平面的法向量即是 n=(A, B, C) ，也可以直接从该式得到，但该式并没有考虑法向量的正负方向。

采样频率

最为一个很重要的性能消耗指标，采样频率直接影响到了游戏的帧率。我们在沿视角方向的光路进行采样的时候，会矩阵转换，深度图提取，光照衰减，以及强度等运算，所以一个很简单的想法就是减少光路的采样频率，但是随之而来的就是很严重的失真效果
5次采样的结果

呢我们是否可以通过模糊的方式来减少因为采样过低二造成的梯度显示效果的呢？
Blue Noise
Blue Noise 是一种高频的随机噪声。但 Blue Noise 无法实时生成。开发者 Chistoph Petter 的博客中对 Blue Noise 做了更深入的介绍，在其中也能找到他生成的各种格式和尺寸的 Blue Noise Texture （CC0 授权）http://momentsingraphics.de/BlueNoise.html
此外也有通过去除 White Noise 中的低频成分得到高频的 Blue Noise 的近似实现，此方法也能用于生成各种颜色的噪声（https://blog.demofox.org/2017/1

在这里插入图片描述

但是很不幸的消息是，做过对应的早点随机采样之后，梯度的效果会消失，但是随之而来的确实黑白不同的颗粒感，如上图所以。

所以我们这时候需要进行后处理大气模糊的效果可以参考https://blog.csdn.net/weixin_51327051/article/details/123031360。最终效果如下图

随机和模糊后

总结
代碼庫
https://github.com/ChenZeMing-xiaoming/Dingder
性能方面的消耗还是有的，毕竟需要向真实世界的渲染效果方向努力，所以作为给硬件擦屁股的优化指标，也要把我折磨的快疯掉了（不断的在性能优化和渲染效果取最优解）。

UnityShader 基于物理的体积光（丁达尔光线）

丁达尔光线物理原理

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