体积光是现实中常见的因丁达尔效应而产生的一种大气现象，文人墨客常用“慵懒的阳光泄下”描绘该现象带来的美感。笔者在一次旅游后见到了这种神奇的自然现象，遂决定在游戏中实现并使用这样的效果。
青藏高原上雨后初晴的体积光
体积光是由空气中的水蒸气和灰尘对光线的散射造成的，显然在实时渲染中我们无法模拟庞杂的微小粒子，只能用近似的方法获得，我们这里将更加着重于实现。
我们将使用Unity自带的Shadowmap实现体积光，众所周知，实时渲染中的阴影是通过将像素点的世界坐标(在fragment shader中获得或由像素深度反推获得)乘灯光的viewProjectionMatrix获得该像素点在shadowmap下的uv，并与shadowmap记录的像素点深度进行比较，若shadowmap记录的深度大于等于该点，则表示该点并没有在阴影下，应该受到光照，反之则表示该点受到遮挡，不应该受到光照。Unity中目前支持的实时光照有Directional Light, Spot Light, Point Light，这三种光照类型的实现大同小异。
另外，希望读者在阅读之前，确保自己对Unity渲染管线，官方提供的.cginc文件以及CommandBuffer, GL等API比较熟悉，接下来的分析将不会出现对此类基础的详解。
效果的实现全部在本人的开源里，注意，本开源项目并非完全原创，在经过Slightly Mad大神的同意后，对其开源原型进行魔改，增减，并上传：
源码地址：http://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/MaxwellGengYF/Unity-Volumetric-Light
Directional Light：
Directional light常用来模拟太阳光，月光等自然光照，由于所有物体都会受到directional light的影响，因此我们的可以直接使用后处理来实现。正如链接里的解释，raymarch的基本原理就是将一条线段按比例分成多段，然后将每个顶点上的采样结果相加，所以首先需要获得射线的起点，我们通过以下代码获得renderTexture上的4个角的近裁面位置，然后在后处理shader中通过fragment shader的线性插值即可获得每个像素点在近裁面上的位置：
cam = GetComponent();
Matrix4x4 inverseViewProjectionMatrix = GL.GetGPUProjectionMatrix(cam.projectionMatrix, true);
inverseViewProjectionMatrix *= cam.worldToCameraMatrix;
inverseViewProjectionMatrix = inverseViewProjectionMatrix.inverse;
Vector3 leftBottom = inverseViewProjectionMatrix.MultiplyPoint(new Vector3(-1, -1, 1));
Vector3 rightBottom = inverseViewProjectionMatrix.MultiplyPoint(new Vector3(1, -1, 1));
Vector3 leftTop = inverseViewProjectionMatrix.MultiplyPoint(new Vector3(-1, 1, 1));
Vector3 rightTop = inverseViewProjectionMatrix.MultiplyPoint(new Vector3(1, 1, 1));
这样我们就拥有了摄像机近裁面的四个角的世界坐标，同理可以通过这样的方法取得摄像机远裁面的四个角：
cam = GetComponent();
Matrix4x4 inverseViewProjectionMatrix = GL.GetGPUProjectionMatrix(cam.projectionMatrix, true);
inverseViewProjectionMatrix *= cam.worldToCameraMatrix;
inverseViewProjectionMatrix = inverseViewProjectionMatrix.inverse;
Vector3 leftBottom = inverseViewProjectionMatrix.MultiplyPoint(new Vector3(-1, -1, 0));
Vector3 rightBottom = inverseViewProjectionMatrix.MultiplyPoint(new Vector3(1, -1, 0));
Vector3 leftTop = inverseViewProjectionMatrix.MultiplyPoint(new Vector3(-1, 1, 0));
Vector3 rightTop = inverseViewProjectionMatrix.MultiplyPoint(new Vector3(1, 1, 0));
使用其他引擎或DirectX的朋友请注意，Unity3D是使用OpenGL标准的投影，所以我们这里需要经过GL.GetGPUProjectionMatrix函数获得确实的投影矩阵，并且远裁面深度为0，近裁面深度为1。
以近裁面坐标作为线段起点，以近裁面坐标到远裁面坐标为线段方向，我们还需要确定线段的终点，显然，直接取远裁面是非常愚蠢的，假设摄像机会渲染1000米，而我们的显卡性能中等偏良好，大概可以承受64次采样的性能消耗，那每一步采样之间将会相隔1000 / 64 = 15.625米，也就是说在15米左右之内的物体变化都不会体积光产生任何影响，而且还会导致采样点出现在着色像素之后，产生严重的bug。
因此，我们需要通过深度图，获得屏幕像素的深度并以此为线段的终点，同时限制线段最大长度，将线段长度设置到一个精度与视觉效果的相对平衡，确定终点的示例代码大致如下：
// _InverseViewProjectionMatrix UNITY_MATRIX_VP矩阵的逆矩阵
// _SampleCount 采样率
// _VolumetricIntensity 体积光强度
// _MaxLength 最远采样距离
float depth = tex2D(_CameraDepthTexture, i.uv).r; //像素深度
float worldPos = mul(_InverseViewProjectionMatrix, float3(i.uv * 2 - 1, depth)); //通过NDC坐标反推世界坐标
float3 startPos = … //已经取得的世界空间近裁面坐标
float3 direction = normalize(worldPos - startPos); //线段归一化方向
float m_length = min(_MaxLength, length(worldPos - startPos)); //获取线段的目标长度
float perNodeLength = m_length / _SampleCount; //每两个采样点之间的距离
float3 currentPoint = startPos; //记录当前采样点的位置
float intensity = 0;
for (int i = 0; i < _SampleCount; ++i){ //进行固定次数的采样
currentPoint += direction * perNodeLength; //更新当前采样点
intensity += GetShadow(currentPoint); //获得当前坐标的阴影遮挡信息
}
intensity *= _VolumetricIntensity * m_Length; //对体积光的强度进行控制
return intensity;
通过类似实现，可以获得一个简易的体积光效果，如何获得阴影采样的实现，在UnityCG.cginc和UnityShadowLibrary.cginc中有详细的实现，文件目录在(Unity Folder)/Editor/Data/CGIncludes/，其中平行光的阴影采样涉及到cascadeShadowMap的计算，需要对采样进行由近及远分成4层，有兴趣的朋友可以自行研究一下，这里不再赘述。
2. Point Light
不同光源之间其实唯一的不同就是计算ray march线段的起点与终点的方法不同，point light的照射范围其实是一个球形，所以我们可以简单的直接在灯光的位置放一个球，然后通过直线与球交点的计算方法，然后其他诸如深度比较等操作，与Directional Light并无不同，示例代码大致如下：
// _Center 球心坐标
// _Radius 球半径
// _InverseViewProjectionMatrix UNITY_MATRIX_VP矩阵的逆矩阵
// _SampleCount 采样率
// _VolumetricIntensity 体积光强度
float depth = tex2D(_CameraDepthTexture, i.uv).r; //像素深度
float pixelWorldPos= mul(_InverseViewProjectionMatrix, float3(i.uv * 2 - 1, depth)); //通过NDC坐标反推世界坐标
float3 wpos = … //球表面位置
float3 wNormal = … //归一化的球表面法线
float3 startPos = wpos; //确定线段起始点
float3 camToSurface = wpos - _WorldSpaceCameraPos;//从摄像机到表面的方向，即ray march的迭代方向
float camToSurfaceLength = length(camToSurface);//摄像机到球表面的距离
float3 surfaceToCenter = -wNormal * _Radius; //球表面到球心
float3 direction = normalize(camToSurface); //线段方向
float3 desiredEndPoint = startPos + dot(normalize(camToSurface), surfaceToCenter) * 2 * camToSurface;
//这里通过简单的立体几何知识，求得射线与球的前后两个相交点
float m_length = length(startPos - pixelWorldPos); //从起点到屏幕像素点的距离
m_length = min(m_length, length(startPos - desiredEndPoint));//获得最小线段距离
float intensity = 0;
float3 currentPoint = startPos;
float perNodeLength = m_length / _SampleCount; //每两个采样点之间的距离
for(int i = 0; i < _SampleCount; ++i){
currentPoint += direction * perNodeLength; //更新当前采样点
intensity += GetShadow(currentPoint - _Center);
//注意，point light使用cubemap作为shadowmap,因此我们需要传入球心到采样点的方向
}
intensity *= _VolumetricIntensity * m_Length; //对体积光的强度进行控制
return intensity;
3. Spot Light
原理与点光源其实大致相似，只不过我们这里为了性(tou)能(lan)，就不在shader中判断角度，而是直接使用CommandBuffer渲染两次锥形mesh，然后通过两次渲染的深度的差别，计算线段的起点和终点，示例代码大致如下(注意，这段代码在背面深度已渲染到指定的RenderTarget之后，被渲染的像素应该在Mesh的正面)：
// _InverseViewProjectionMatrix UNITY_MATRIX_VP矩阵的逆矩阵
// _SampleCount 采样率
// _VolumetricIntensity 体积光强度
// _BackDepthTexture 光源mesh的背面深度
float backDepth = tex2D(_BackDepthTexture, i.uv).r; //背面深度
float backWorldPos= mul(_InverseViewProjectionMatrix, float3(i.uv * 2 - 1, backDepth )); //通过NDC坐标反推世界坐标
float depth = tex2D(_CameraDepthTexture, i.uv).r; //深度图像素深度
float pixelWorldPos= mul(_InverseViewProjectionMatrix, float3(i.uv * 2 - 1, depth )); //通过NDC坐标反推世界坐标
float3 direction = normalize(backWorldPos - _WorldSpaceCameraPos);
float3 startPos = wpos; // 起点位置即为Mesh的正面像素位置
float m_Length = min(length(backWorldPos - startPos), length(pixelWorldPos - startPos)); //线段长度
float intensity = 0;
float3 currentPoint = startPos;
float perNodeLength = m_length / _SampleCount; //每两个采样点之间的距离
for(int i = 0; i < _SampleCount; ++i){
currentPoint += direction * perNodeLength; //更新当前采样点
intensity += GetShadow(currentPoint);
}
intensity *= _VolumetricIntensity * m_Length; //对体积光的强度进行控制
return intensity;
直接渲染两次mesh这个方法确实比较丑陋，不过我们两者相权取其轻，多一个drawcall一般来讲比在shader中进行复杂的运算更为节省性能，而且还要考虑到lighting cookie的使用，在许多次时代渲染中，场景地编常常使用cookie改变灯光形状，增加灯光真实度，因此我们必须保证GetShadow传入的值确实的存在于shadowmap中。
4. 优化性能：
由于多次迭代，体积光的消耗实际非常高昂，即使是在性能强大的PC平台也是如此，因此我们可以考虑许多优化方法大幅度降低性能消耗，而降采样就是其中非常好的一种方法。我们将目标贴图的分辨率设置为摄像机Render Target的分辨率的一半，也就是直接将计算量缩小到了之前的1/4，但是降采样后的图像马赛克化严重，我们可以使用高斯模糊，将其通过正态分布的模糊采样放回到原分辨率的贴图中，降采样不仅不会降低画质，反而会给体积光带来一种朦胧感与意境。
降采样模糊后的太阳体积光效果
5. 进一步提高质量：
细心观察的朋友已经注意到，这个体积光虽然已经实现，但是极其生硬，单调，仿佛蒙了一层布一样，实在谈不上美感，原因很简单，空气中的雾气，尘埃并不是简单的发光，而是折射太阳光，因此我们需要考虑透光时光线强弱的变化。
首先，既然是透射，那么当视线与太阳射入角度越小时，阳光应该越发强劲，这种算法称之为Mie Scattering，即通过视线与光源夹角计算强度值，有时会在次表面透射材质中使用到。加上Mie Scattering后效果为：
加上Mie Scattering后已经初步拥有了真实感
大气的情况复杂多变，有时雾并不是静止不动而是在风的影响下有缓慢的飘动，但是若是使用3D贴图进行二次raymarch，将会导致性能消耗非常高昂，这是无论如何也无法接受的，因此我们这里使用一个比较Trick的方法，使用一张2D贴图在屏幕空间进行采样，影响体积光的强度。(Demo中这么使用确实没什么问题，但是有时场景复杂可能会穿帮)。
水雾的密度大于空气，因此会缓慢下沉，由于我们的ray march全程使用统一的世界坐标，因此想要基于采样点的高度进行强度累计非常容易，这里就不赘述了，直接给出最终实现效果：
大连那家医院看男科 http://www.lnbohaink.com/
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