Unity URP 体积光与雾效 基于深度重建世界空间位置，实现体积雾与体积光

在现代游戏渲染中，体积光（Volumetric Lighting）和体积雾（Volumetric Fog）是营造氛围、提升沉浸感的关键技术。它们能够让光线可见化，让雾气充满体积感，使整个场景更加真实可信。

本文将深入探讨在 Unity URP（Universal Render Pipeline） 环境下，如何通过深度图重建世界空间位置，并基于此实现高质量的体积光与体积雾效果。

一、核心原理概述

1.1 体积渲染的基本思想

体积渲染的核心思想是：将三维空间中的介质（如雾气、烟尘、光线中的粒子）视为无数微小的体积元素，通过累积这些元素对光线的吸收和散射，最终得到视觉效果。

体积渲染关键步骤

• 从摄像机发射射线，穿过每个像素
• 沿射线方向进行等间距采样
• 在每个采样点重建世界空间位置
• 计算该点的介质密度和光照强度
• 沿路径累积光的散射和吸收

二、深度重建世界空间位置

2.1 为什么需要深度重建？

在 URP 中，深度图（Depth Texture）只存储了每个像素的深度值（0-1范围），我们无法直接获取该像素对应的三维空间位置。要实现体积渲染，必须将这个深度值转换为真正的世界空间坐标。

2.2 Shader 实现

以下是完整的深度重建 Shader 代码，逐行解析：

// 获取深度纹理（URP 内置 _CameraDepthTexture）
sampler2D _CameraDepthTexture;
// 重建世界空间位置的核心函数
float3 ReconstructWorldPosition(float2 uv, float depth)
{
    // 构建该像素的裁剪空间坐标 (NDC)
    float4 clipPos = float4(uv * 2.0 - 1.0, depth * 2.0 - 1.0, 1.0);
    // 获取当前渲染相机的 VP 矩阵
    float4x4 invVP = unity_CameraInvProjection;
    float4 worldPos = mul(invVP, clipPos);
    
    // 透视除法，转换到世界空间
    worldPos.xyz /= worldPos.w;
    
    // 考虑相机世界位置偏移
    worldPos.xyz += _WorldSpaceCameraPos;
    
    return worldPos.xyz;
}

2.3 深度重建流程图

三、体积雾实现

3.1 体积雾的数学模型

体积雾基于 Beer-Lambert 定律描述光线穿过介质时的衰减：

沿视线累积的光学深度公式：

3.2 体积雾 Shader

// 体积雾属性
uniform float _FogDensity = 0.1;      // 雾的浓度
uniform float _FogHeight = 10.0;     // 雾的高度范围
uniform float3 _FogColor;              // 雾的颜色
// 计算某点的雾密度
float SampleFogDensity(float3 worldPos)
{
    // 基于高度的雾密度衰减
    float heightFactor = exp(-worldPos.y * 0.1);
    
    // 基础雾密度 × 高度衰减
    return _FogDensity * heightFactor;
}
// 体积雾累积函数
float4 VolumetricFog(float4 color, float2 uv, float depth)
{
    // 重建世界空间位置
    float3 worldPos = ReconstructWorldPosition(uv, depth);
    float3 cameraPos = _WorldSpaceCameraPos;
    
    // 视线方向
    float3 rayDir = normalize(worldPos - cameraPos);
    float rayLength = length(worldPos - cameraPos);
    
    // 采样步长和次数
    float stepSize = rayLength / 32.0;
    float accumulatedFog = 0.0;
    
    // 沿视线采样累积
    for (int i = 0; i < 32; i++)
    {
        float3 samplePos = cameraPos + rayDir * stepSize * i;
        float density = SampleFogDensity(samplePos);
        accumulatedFog += density * stepSize;
    }
    
    // Beer-Lambert 衰减
    float fogFactor = 1.0 - exp(-accumulatedFog);
    
    // 混合雾颜色
    return lerp(color, float4(_FogColor, 1.0), fogFactor);
}

3.3 体积雾效果示意

四、体积光实现

4.1 体积光的基本原理

体积光（God Rays）模拟光线穿过介质（如雾气、尘埃）时的散射效果。当光线经过体积介质时，部分光线被散射到观察者眼中，形成可见的光柱效果。

4.2 体积光 Shader

// 体积光属性
uniform float4 _LightPos;          // 光源世界位置
uniform float3 _LightColor;       // 光源颜色
uniform float _Scattering = 1.0;  // 散射系数
uniform float _Density = 1.0;      // 介质密度
// Ray Marching 体积光累积
float3 VolumetricLight(float2 uv, float depth)
{
    float3 worldPos = ReconstructWorldPosition(uv, depth);
    float3 cameraPos = _WorldSpaceCameraPos;
    
    // 计算到表面的距离
    float distToSurface = length(worldPos - cameraPos);
    float3 rayDir = normalize(worldPos - cameraPos);
    
    // 光线到采样点的方向
    float3 lightDir = normalize(_LightPos.xyz - cameraPos);
    
    // 采样参数
    int numSteps = 64;
    float stepSize = distToSurface / numSteps;
    float3 accumulatedLight = float3(0.0);
    
    for (int i = 0; i < numSteps; i++)
    {
        // 当前采样点
        float3 samplePos = cameraPos + rayDir * stepSize * i;
        
        // 计算到光源的距离
        float distToLight = length(_LightPos.xyz - samplePos);
        
        // Mie 散射相位函数
        float cosAngle = dot(-rayDir, lightDir);
        float phase = MieScattering(cosAngle);
        
        // 光源衰减 + 散射相位
        float attenuation = 1.0 / (1.0 + distToLight * distToLight);
        float3 lightContrib = _LightColor * attenuation * phase;
        
        // 累积光线贡献
        accumulatedLight += lightContrib * _Density * stepSize;
    }
    
    // 应用全局散射系数
    return accumulatedLight * _Scattering;
}
// Mie 散射相位函数（近似）
float MieScattering(float cosAngle)
{
    const float g = 0.8;  // 各向异性参数
    return (1.0 - g * g) / 
           (4.0 * 3.14159 * pow(1.0 + g * g - 2.0 * g * cosAngle, 1.5));
}

五、性能优化策略

5.1 采样数量控制

体积渲染的主要性能瓶颈在于沿视线方向的采样次数。以下是不同采样级别的权衡：

采样级别	采样次数	视觉效果	性能消耗
低	16-24 次	噪点明显，颗粒感强	★★★★★
中	32-48 次	基本可用，需降噪	★★★☆☆
高	64-128 次	细腻平滑，效果优秀	★★☆☆☆

5.2 降噪技术

为了在有限的采样次数下获得平滑效果，通常需要配合降噪技术：

常用降噪方案

• 双边滤波（Bilateral Filter）：保留边缘，平滑噪点
• 时间积累（Temporal Accumulation）：利用历史帧信息
• 深度感知降噪：根据深度变化调整滤波强度
• 噪点抖动（Jitter）：使用蓝噪声或哈希函数实现采样位置随机化

5.3 分辨率缩放

另一个常见优化是以较低分辨率渲染体积效果，然后上采样到全分辨率：

// 以 1/2 或 1/4 分辨率渲染体积光
uniform float _ResolutionScale = 0.5;
void Main(float2 uv, out float4 color)
{
    // 缩放 UV 到低分辨率
    float2 lowResUV = uv * _ResolutionScale;
    float lowResDepth = tex2D(_CameraDepthTexture, lowResUV).r;
    
    // 在低分辨率下计算体积效果
    color = VolumetricLight(lowResUV, lowResDepth);
    
    // 后续通过上采样（双线性/双三次）恢复分辨率
    // 配合深度感知插值避免边缘模糊
}

六、在 URP 中集成

6.1 配置 Depth Texture

首先需要在 URP 渲染器配置中启用深度纹理：

URP Renderer AssetDepth Texture✓Opaque Texture✓HDR必须启用 Depth Texture 才能在自定义 Pass 中访问深度信息

6.2 创建体积雾 Pass

完整的 URP 自定义渲染 Pass 示例：

六、在 URP 中集成
6.1 配置 Depth Texture
首先需要在 URP 渲染器配置中启用深度纹理：

URP Renderer Asset
Depth Texture
✓
Opaque Texture
✓
HDR
必须启用 Depth Texture 才能在自定义 Pass 中访问深度信息
6.2 创建体积雾 Pass
完整的 URP 自定义渲染 Pass 示例：

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
public class VolumetricPass : ScriptableRenderPass
{
    private Material _volumetricMaterial;
    
    public VolumetricPass(Material mat)
    {
        _volumetricMaterial = mat;
        renderPassEvent = RenderPassEvent.AfterRenderingSkybox;
    }
    
    public override void Execute(
        ScriptableRenderContext context, 
        ref RenderingData renderingData)
    {
        // 获取相机渲染数据
        Camera camera = renderingData.cameraData.camera;
        if (camera.cameraType != CameraType.Game) return;
        
        // 设置 Shader 属性
        _volumetricMaterial.SetMatrix("_InvVP", 
            camera.projectionMatrix * camera.worldToCameraMatrix);
        
        // 启用深度纹理采样
        Shader.SetGlobalTexture("_CameraDepthTexture",
            renderingData.cameraData.depthTexture);
        
        // 提交渲染命令
        CommandBuffer cmd = CommandBuffer.Pool.Get();
        cmd.Blit(null, RenderTargetHandle.CameraTarget.Identifier(), 
            _volumetricMaterial);
        context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
        CommandBuffer.Pool.Release(cmd);
    }
}

总结

基于深度重建世界空间位置是实现高质量体积光与雾效的基础。通过理解 VP 矩阵的逆变换，我们可以将屏幕空间的深度值转换为真实的三维坐标，进而进行体积采样和光散射计算。

关键要点：采样数量与性能的权衡、使用降噪技术提升视觉质量、以及通过分辨率缩放等优化手段实现实时渲染。