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：

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// 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

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// 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

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// 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：

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// 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：

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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。

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

一、核心原理概述

1.1 体积渲染的基本思想

体积渲染关键步骤

二、深度重建世界空间位置

2.1 为什么需要深度重建？

2.2 Shader 实现

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

3.2 体积雾 Shader

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

4.2 体积光 Shader

五、性能优化策略

5.1 采样数量控制

5.2 降噪技术

常用降噪方案

5.3 分辨率缩放

六、在 URP 中集成

6.1 配置 Depth Texture

6.2 创建体积雾 Pass

总结

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