Ambient Occlusion

本文主要是介绍Ambient Occlusion，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

在以往的光照模型中，我们没有考虑间接光
以往的环境光照模型为： $A= L_a * m_a$
$L_a$ 表示物体接受到的间接光的总量
$m_a$ 表示物体的材质，指定了射入环境光的反射和吸收的数量
并且认为光线从各个方向均匀的入射到物体表面
但这种计算模型完全不真实

环境光遮蔽的思想是：物体表面某点 $\mathit{p}$ 的间接光数目是与以 $\mathit{p}$ 为球心的半球对入射光线的遮蔽程度成比例的
这里写图片描述
(图片来源：Introduction to 3D Game Programming With DirectX 11)
左边的图表示入射光线全部通过半球射入到 $\mathit{p}$ 点上
右边的图表明一部分光线被遮挡未能入射到 $\mathit{p}$ 点上，即 $\mathit{p}$ 点被遮蔽了

在现实中我们知道这样一个现象，墙角处看起来总是比旁边要暗一下，那是因为墙角收到墙面的遮蔽，因此为了模拟这样一个情况，我们需要计算出物体顶点的遮蔽程度，或者说遮蔽值

那么我们怎样去计算每个顶点的遮蔽程度呢？

假设 $\mathit{p}$ 为物体表面上一点，以 $\mathit{p}$ 点为球心构造一个半球，半球的方向为该点法线的方向，无需考虑负半球，其无法对 $\mathit{p}$ 点造成遮蔽。

构造随机的入射光线是比较困难的，我们可以逆向处理，如：由 $\mathit{p}$ 点发出N条光线，若由H条方向被遮蔽了，则我们认为该点的遮蔽程度为 ${H\over N}$ ,我们也将接受到的光线比例称为ambient access.因此ambient access = 1.0 - ${H\over N}$

AO计算公式：
$A( p , n) = {1 \over \pi} \int_\Omega V(w , p)max(w\cdot{}n , 0){\rm d}w$

$\mathit{p}$ 表示表面上一点
$\Omega$ 表示以 $\mathit{p}$ 点为球心的正半球，即法线指向的方向
$\mathit{n}$ 表示 $\mathit{p}$ 点的法线
$\mathit{w}$ 表示半球体 $\Omega$ 从 $\mathit{p}$ 点发出光线的方向向量
$\mathit{V}$ 表示可视函数

因此Ambient Occlusion的计算是通过对围绕着以 $\mathit{p}$ 点为球心的半球 $\Omega$ 上的局部AO值进行积分得到，由此可见， $\mathit{V(w , p)}$ 是一个二值函数，因为对于任意一条光线，要么对点 $\mathit{p}$ 产生遮蔽要么不产生，因此取值只有0 , 1 。但实现起来这显然是不可能也不必要的。我们只需进行一部分采样来进行模拟得到

假设通过点 $\mathit{p}$ 沿着半球 $\Omega$ 发出的一条光线，与物体相交于点 $\mathit{q}$ ，但是假如点 $\mathit{q}$ 离 $\mathit{p}$ 点太远时，我们可以认为点 $\mathit{q}$ 对 $\mathit{p}$ 点并没有产生遮蔽，因此我们可以设置一个阀值(threshold value),当距离大于阀值时，认为不产生遮蔽作用

我们可以在进入着色器之前为每个顶点预先计算出其遮蔽值~~

伪代码如下：

        std::vector<UINT> VertexSharedCount(VertexCount); // 用于保存顶点被共享的次数，最终用于计算顶点的平均Ambient Accessfor(int i = 0; i < TriangleCount; i++){int i0 = indices[3 * i + 0];int i1 = indices[3 * i + 1];int i2 = indices[3 * i + 2];Vertex v0 = vertices[i0];Vertex v1 = vertices[i1];Vertex i2 = vertices[i2];Edge e1 = v1 - v0;Edge e2 = v2 - v0;normal = e1 * e2;center = (v0 + v1 + v2) / 3;for(int j = 0; j < SampleLightCount; j++){RayDirection = GenerateRandomVector();if(!octree.RayIntersect(center , normal)){UnOcclusionNum++;}}float access = 1.0f - (UnOcclusionNum / SampleLightCount);vertices[i0].access += access;vertices[i1].access += access;vertices[i2].access += access;VertexSharedCount[i0]++;VertexSharedCount[i1]++;VertexSharedCount[i2]++;}for(int i = 0; i < VertexCount; i++){vertices[i].access /= VertexSharedCount[i];}