Unity URP：体积光实现

基于 URP ScriptableRendererFeature 的屏幕空间体积光（Volumetric Light Scattering），采用 Ray Marching + 深度感知 Bilateral Blur 双 Pass 管线：低分辨率 Ray March 累积散射光 → 多次 Bilateral Blur 去噪 → Composite 加色合成到场景。支持 Henyey-Greenstein 相位函数、指数高度衰减、主光源实时阴影采样、Bayer 4×4 抖动、多级 Debug 视图。

代码位于项目 Assets/OurFunction/VolumetricLight/，包含：VolumetricLightRenderFeature.cs、VolumetricLight.shader。

1. Introduction

Showcase

  1. 光照mask位置
  2. 叠加后效果
  3. 原始效果

1.1 传统方案缺陷

  • 传统方法：游戏引擎中体积光（God Rays / Light Shafts）的常见做法包括后处理径向模糊（Radial Blur）和屏幕空间 Ray Marching。 问题所在：
  • 第一，径向模糊缺乏物理准确性——以光源屏幕坐标为中心做放射状模糊，不考虑深度遮挡、散射密度、距离衰减，产生”穿透几何”的伪影；
  • 第二，全分辨率 Ray Marching 性能昂贵——1080p 下 64-128 步的 per-pixel Marching 需要 3-8ms，必须降到低分辨率；
  • 第三，低分辨率上采样 artifact——简单的 bilinear 上采样导致光柱边缘锯齿和块状 artifact，需要深度感知的去噪。

1.2 解决方法

  • 核心机制：低分辨率 Ray Marching + 深度感知 Bilateral Blur——在 1/2 或 1/4 分辨率做 Ray Marching（4-128 步可调，Bayer 4×4 抖动），累积沿视线方向的散射光（含主光源阴影采样 + 指数高度衰减），然后通过可配置次数的 Bilateral Blur（深度差做高斯衰减权重）去噪 + 上采样，最后加色合成回全分辨率场景。
  • 架构：VolumetricLightRenderFeature 在 BeforeRenderingPostProcessing 注入，仅 Game 相机、需主光源存在。3 个主要 Pass + 2 个 Debug Pass。

2. KeyWords

关键词简单解释在本实现中的具体职责
辐射传输方程 (RTE)描述辐射在参与介质中传输的微分方程单次散射近似的理论基础
Beer-Lambert 定律透射率 T=exp⁡(−τ)T=\exp(-\tau)，光学深度 τ\tautransmittance *= exp(-extinction) 累乘
Henyey-Greenstein 相位函数描述散射角分布（前向/后向散射强度）HenyeyGreenstein(dot(-rayDir, lightDir), g)
单次散射近似假设光只散射一次进入视线散射积分公式简化为单重积分
指数高度衰减散射密度随世界 Y 升高指数降低density *= exp(-(height-base) * falloff)
Bilateral Filter空域高斯 × 深度域指数权重的边缘保持滤波`exp(-
Bayer 4×4 有序抖动蓝噪声近似的空域确定型抖动Bayer4x4(pixelPos) 偏移每步起始位置
中点黎曼和数值积分：采样在步长中点(i + jitter + 0.5) * stepLength

3. Technical Breakdown

3.1 参与介质渲染方程：从物理到离散

3.1.1 辐射传输方程（Radiative Transfer Equation）

体积光的物理基础是辐射传输方程。在一维参与介质中，沿视线方向 v^\hat v 传播的辐射亮度 LL 满足：

dL(s)ds=−σt(s) L(s)+σs(s) ⁣∫4πp(ω^′,ω^) L(ω^′) dω^′+Q(s)\frac{dL(s)}{ds} = -\sigma_t(s)\,L(s) + \sigma_s(s)\!\int_{4\pi} p(\hat\omega',\hat\omega)\,L(\hat\omega')\,d\hat\omega' + Q(s)

三项分别对应：

  • 消光 −σtL-\sigma_t L：辐射被吸收+散射出视线，σt=σa+σs\sigma_t = \sigma_a + \sigma_s（吸收系数 + 散射系数）
  • 内散射 σs∫p L dω′\sigma_s \int p\,L\,d\omega'：其他方向的辐射被散射进视线
  • 自发辐射 QQ：介质自身发光（大气/雾中通常为 0）

3.1.2 单次散射近似

完整 RTE 的内散射项是一个 4π 立体角积分，实时渲染无法求解。单次散射近似假设光只从主光源散射一次进入视线（忽略多次散射和环境光散射），RTE 退化为沿视线的标量积分：

Lscatter=∫0DT(0,t) σs(t) p(θ) Llight V(t) dtL_{\text{scatter}} = \int_0^D T(0,t)\,\sigma_s(t)\,p(\theta)\,L_{\text{light}}\,V(t)\,\mathrm dt

各项物理含义：

  • T(0,t)=exp⁡ ⁣(−∫0tσt(s) ds)T(0,t) = \exp\!\left(-\int_0^t \sigma_t(s)\,\mathrm ds\right)：透射率——从相机到采样点 tt 的辐射被介质衰减后剩余的比例
  • σs(t)\sigma_s(t)：采样点的散射系数（本实现中 = density × heightAttenuation）
  • p(θ)p(\theta)：相位函数在散射角 θ=∠(v^,L^)\theta = \angle(\hat v, \hat L) 处的值
  • LlightL_{\text{light}}：主光源辐射度
  • V(t)∈[0,1]V(t) \in [0,1]：可见性函数（shadow map 采样结果）

纯散射介质假设：本实现令 σa=0\sigma_a = 0（无吸收），所以 σt=σs=σ\sigma_t = \sigma_s = \sigma。消光完全由散射导致——这是雾/体积光的常见简化。对于烟尘等强吸收介质需分别指定 σa\sigma_a 和 σs\sigma_s。

3.1.3 完整解与合成

RTE 沿视线的完整解为：

Ltotal=T(0,D) Lsurface⏟透射衰减的表面色+∫0DT(0,t) σs(t) p(θ) Llight V(t) dt⏟散射积分L_{\text{total}} = \underbrace{T(0,D)\,L_{\text{surface}}}_{\text{透射衰减的表面色}} + \underbrace{\int_0^D T(0,t)\,\sigma_s(t)\,p(\theta)\,L_{\text{light}}\,V(t)\,\mathrm dt}_{\text{散射积分}}

本实现的 Composite Pass 只做了第二项的加法合成（source.rgb + volumetric），省略了第一项的透射率衰减——即假设雾密度足够低，表面颜色不被介质衰减。这是游戏工业的常见简化；浓雾场景需补回 source.rgb *= finalTransmittance。

3.2 Beer-Lambert 定律与透射率累乘

透射率 TT 遵循 Beer-Lambert 定律：

T(0,t)=exp⁡ ⁣(−∫0tσ(s) ds)=exp⁡(−τ)T(0, t) = \exp\!\left(-\int_0^t \sigma(s)\,\mathrm ds\right) = \exp(-\tau)

其中 τ=∫0tσ(s) ds\tau = \int_0^t \sigma(s)\,\mathrm ds 是光学深度（optical depth）。离散化时，将积分拆为 NN 步，每步光学深度增量 Δτi=σi⋅Δs\Delta\tau_i = \sigma_i \cdot \Delta s，透射率以累乘形式更新：

Ti+1=Ti⋅exp⁡(−Δτi)T_{i+1} = T_i \cdot \exp(-\Delta\tau_i) 
float transmittance = 1.0;
float accumulatedLight = 0.0;

for (int i = 0; i < 128; ++i) {
    // ... 计算 localDensity, shadow ...
    float extinction = localDensity * stepLength;        // Δτ = σ · Δs
    accumulatedLight += transmittance * shadow * extinction;
    transmittance *= exp(-extinction);                   // T_{i+1} = T_i · exp(-Δτ)
}

累乘 vs 重算：若每步重算 Ti=exp⁡(−∑j<iΔτj)T_i = \exp(-\sum_{j<i} \Delta\tau_j)，需要 O(N2)O(N^2) 次指数运算；累乘形式只需 O(N)O(N) 次，这正是 Ray Marching 的核心计算优势。

3.3 Henyey-Greenstein 相位函数

3.3.1 物理来源与数学性质

HG 相位函数源自天体物理学（Henyey & Greenstein 1941），描述电磁辐射在粒子介质中的角度散射分布：

p(cos⁡θ, g)=1−g24π (1+g2−2gcos⁡θ)3/2p(\cos\theta,\, g) = \frac{1-g^2}{4\pi\,(1+g^2-2g\cos\theta)^{3/2}}

数学性质：

  • 归一化：∫4πp(cos⁡θ,g) dω=1\int_{4\pi} p(\cos\theta, g)\,\mathrm d\omega = 1（概率密度函数）
  • 不对称因子 g=⟨cos⁡θ⟩g = \langle\cos\theta\rangle：散射角余弦的期望值
    • g=0g=0：各向同性散射（Rayleigh 极限，小分子）
    • g>0g>0：前向散射（光继续沿原方向传播的概率高）
    • g<0g<0：后向散射
  • 本实现 g=0.55：强前向散射，符合大气雾粒子的米氏散射（Mie scattering）特性

3.3.2 散射角的几何含义

代码中 cosTheta = dot(-rayDir, lightDir)：

  • -rayDir：从采样点指向相机的方向（散射后的观察方向 ω^o\hat\omega_o）
  • lightDir：从采样点指向光源的方向（mainLight.direction，即入射光方向 ω^i\hat\omega_i）
  • 两者点积 = 散射角 θ\theta 的余弦
float3 lightDir = normalize(mainLight.direction);
float phase = HenyeyGreenstein(dot(-rayDir, lightDir), _PhaseParams.x);

3.3.3 前向散射的视觉效果

g=0.55g=0.55 时，不同散射角的 phase 值：

散射角 θ\thetacos⁡θ\cos\thetaphase场景
0°（顺光）+1~0.62光源在相机背后，散射后继续向前→相机看到强散射
90°（侧光）0~0.044侧向散射弱
180°（逆光）−1~0.015光源在相机正前方，需 180° 散射才能进入视线

物理正确性：前向散射（g>0g>0）意味着顺光方向（光源在背后）phase 值高。实际游戏中”god rays”常在逆光时最明显——这是因为逆光时 accumulatedLight（视线穿过被照亮介质的总量）大，补偿了 phase 的低值。本实现的物理方向是正确的。部分游戏为增强逆光效果会反转 gg 符号或用 cos⁡θ\cos\theta 取负，属于美术导向的非物理调整。

3.4 Ray Marching 数值积分：中点黎曼和

散射积分 ∫0Df(t) dt\int_0^D f(t)\,\mathrm dt 用中点黎曼和（midpoint Riemann sum）离散化：

∫0Df(t) dt≈∑i=0N−1f ⁣((i+12) Δs)⋅Δs,Δs=DN\int_0^D f(t)\,\mathrm dt \approx \sum_{i=0}^{N-1} f\!\left((i+\tfrac{1}{2})\,\Delta s\right) \cdot \Delta s, \qquad \Delta s = \frac{D}{N}

代码中 (i + jitter + 0.5) * stepLength 的 +0.5 即中点偏移——采样在每个步长区间的中点而非端点，将截断误差从 O(Δs)O(\Delta s)（左/右端点黎曼和）降低到 O(Δs2)O(\Delta s^2)（中点法则）。

float steps = clamp(_RayMarchParams.x, 4.0, 128.0);
float stepLength = sceneDistance / steps;                        // Δs = D/N
float jitter = Bayer4x4(input.positionCS.xy) * _PhaseParams.y;   // 抖动偏移

for (int i = 0; i < 128; ++i) {
    if (i >= (int)steps) break;
    float currentDistance = (i + jitter + 0.5) * stepLength;      // 中点 + 抖动
    float3 samplePosition = _WorldSpaceCameraPos.xyz + rayDir * currentDistance;
    // ... 累积散射 ...
}

步数与误差：步长 Δs=D/N\Delta s = D/N，误差 ∝Δs2∝1/N2\propto \Delta s^2 \propto 1/N^2。但成本 ∝N\propto N。本实现默认 N=32N=32，在 50m 距离内步长 ~1.5m，配合抖动 + blur 足够消除 banding。

3.5 指数高度衰减：大气分层模型

散射密度随世界 Y 坐标指数衰减，模拟低空浓雾、高空清澈的分层大气：

σ(h)=σ0⋅exp⁡ ⁣(−max⁡(h−h0, 0)⋅β)\sigma(h) = \sigma_0 \cdot \exp\!\left(-\max(h - h_0,\,0) \cdot \beta\right) 
float localDensity = max(_RayMarchParams.w, 0.0);        // σ_0 = density
if (_HeightParams.y > 1e-5) {
    float heightAboveBase = max(samplePosition.y - _HeightParams.x, 0.0);
    localDensity *= exp(-heightAboveBase * _HeightParams.y);   // × exp(-(h-h₀)·β)
}
  • σ0\sigma_0 = density（默认 0.035）：海平面（h=h0h=h_0）的基准密度
  • h0h_0 = heightFogBase（默认 0）：雾层基准高度
  • β\beta = heightFalloff（默认 0.08）：高度衰减率。β=0.08\beta=0.08 时每升高 12.5m 密度减为 1/e1/e

物理对应：真实大气遵循标准大气模型（σ∝exp⁡(−h/H)\sigma \propto \exp(-h/H)，标高 H≈8kmH\approx 8\text{km}）。游戏中的 β\beta 远大于真实值以在几米尺度内产生可见衰减。

3.6 主光源阴影采样：可见性函数 V(t)V(t)

单次散射积分中的 V(t)V(t) 是可见性函数——采样点是否被主光源直接照亮。通过 URP 的 Shadow Map 实现：

float4 shadowCoord = TransformWorldToShadowCoord(samplePosition + lightDir * _PhaseParams.w);
float shadow = MainLightRealtimeShadow(shadowCoord);
shadow = lerp(1.0, shadow, saturate(_PhaseParams.z));   // shadowStrength 混合
  • + lightDir * bias：沿光源方向偏移采样点，防止因 Shadow Map 精度不足导致的自阴影 acne（采样点投影到自身表面）
  • lerp(1.0, shadow, shadowStrength)：shadowStrength=0 时完全忽略阴影（全亮），=1 时完全使用 shadow map。中间值做线性混合，给美术调节空间

阴影质量限制：URP 的主光源 Shadow Map 分辨率有限（通常 2048²），远处采样点的 shadow coord 精度下降，可能产生阴影闪烁。体积光对阴影质量比表面光照更敏感（每步都采样），建议开启 _SHADOWS_SOFT 软阴影。

3.7 Bayer 4×4 有序抖动：蓝噪声近似

Ray Marching 的离散步进在低步数时产生相干 banding——等距采样点在密度变化处产生阶梯状条纹。Bayer 4×4 有序抖动矩阵给每个像素一个确定型偏移，打破相干性：

float Bayer4x4(float2 pixelPosition) {
    uint x = (uint)fmod(pixelPosition.x, 4.0);
    uint y = (uint)fmod(pixelPosition.y, 4.0);
    // 查表返回 0/16 ~ 15/16 的 4×4 Bayer pattern
    // ...
}
float jitter = Bayer4x4(input.positionCS.xy) * _PhaseParams.y;
float currentDistance = (i + jitter + 0.5) * stepLength;

3.7.1 蓝噪声特性

Bayer 矩阵在频域上把噪声能量推向高频（蓝噪声谱）。相比白噪声（全频谱均匀），蓝噪声的高频特性使得：

  • banding（低频）被转化为高频噪声
  • 高频噪声在视觉上更不敏感（人眼对低频更敏感）
  • 高频噪声更容易被后续 Bilateral Blur 消除

3.7.2 与其他抖动方案对比

方案类型优势劣势
Bayer 4×4（本实现）空域确定型零 RNG 开销、蓝噪声近似4×4 重复周期可见
Halton 序列时域低差异配合 TAA 时域累积最佳无 TAA 时无效
IGN (Interleaved Gradient Noise)时域+空域兼顾空域分布与时域变化需要帧索引
White Noise随机无重复 pattern非蓝噪声，blur 后残留明显

本实现选择 Bayer 4×4 是因为不依赖 TAA（项目 TAA 默认关闭），纯空域抖动在 blur 后即可去噪。

3.8 深度感知 Bilateral Filter

低分辨率 Ray Marching 产生的散射纹理有噪声和锯齿。标准高斯模糊会导致光柱边缘”泄漏”到几何体后方（前景物体的散射光被抹到背景上）。Bilateral Filter 在空域高斯权重上乘以深度域权重：

w(x,y)=g(∥x−y∥)⏟空域高斯⋅d(∣zx−zy∣)⏟深度域权重w(\mathbf{x}, \mathbf{y}) = \underbrace{g(\|\mathbf{x}-\mathbf{y}\|)}_{\text{空域高斯}} \cdot \underbrace{d(|z_\mathbf{x} - z_\mathbf{y}|)}_{\text{深度域权重}}

3.8.1 深度域权重：指数衰减

float depthWeight = exp(-abs(sampleDepth - centerDepth) / depthThreshold);
float weight = baseWeight * depthWeight;

采用指数衰减而非硬阈值截断（Δz<τ ? 1:0\Delta z < \tau \,?\, 1 : 0）。指数衰减在边缘处平滑过渡，避免二值化产生的硬边。τ\tau = depthAwareBlurThreshold（默认 0.35）控制衰减速度——深度差超过 τ\tau 时权重降至 1/e≈0.371/e \approx 0.37。

3.8.2 7-tap 可分离高斯

权重分布:  0.05  0.10  0.15  [0.40]  0.15  0.10  0.05
偏移:      -3    -2    -1     0      +1    +2    +3

7-tap 水平 + 7-tap 垂直（separable 实现）等价于 49-tap 二维卷积的近似，计算量从 O(r2)O(r^2) 降到 O(r)O(r)。blurIterations（默认 2）次水平+垂直 Ping-Pong（LowResA ↔ LowResB）进一步扩展等效模糊半径。

3.8.3 完整 Blur Pass

half4 FragBlur(Varyings input) : SV_Target
{
    float2 offset = _BlurDirection.xy * _SourceTexelSize.xy;   // blurRadius × texel
    float centerDepth = LinearEyeDepth(SampleSceneDepth(input.uv), _ZBufferParams);
    float depthThreshold = max(_HeightParams.z, 0.01);

    half3 color = 0.0h;
    float weightSum = 0.0;

    #define ADD_BLUR_SAMPLE(uvOffset, baseWeight) {                              \
        float2 sampleUv = input.uv + uvOffset;                                    \
        float sampleDepth = LinearEyeDepth(SampleSceneDepth(sampleUv), _ZBufferParams); \
        float depthWeight = exp(-abs(sampleDepth - centerDepth) / depthThreshold); \
        float weight = baseWeight * depthWeight;                                  \
        color += SAMPLE_TEXTURE2D_X(_MainTex, sampler_MainTex, sampleUv).rgb * weight; \
        weightSum += weight;                                                      \
    }

    ADD_BLUR_SAMPLE(0.0,           0.40)   // 中心
    ADD_BLUR_SAMPLE(offset,        0.15)   // ±1
    ADD_BLUR_SAMPLE(-offset,       0.15)
    ADD_BLUR_SAMPLE(offset * 2.0,  0.10)   // ±2
    ADD_BLUR_SAMPLE(-offset * 2.0, 0.10)
    ADD_BLUR_SAMPLE(offset * 3.0,  0.05)   // ±3
    ADD_BLUR_SAMPLE(-offset * 3.0, 0.05)

    #undef ADD_BLUR_SAMPLE
    return half4(color / max(weightSum, 1e-4), 1.0h);   // 归一化
}

归一化：color / weightSum 保证模糊不改变整体亮度。当所有样本深度差异大（weightSum→0）时 max(weightSum, 1e-4) 防除零，退化为只输出中心像素。

3.9 Composite：加法合成

half4 FragComposite(Varyings input) : SV_Target
{
    half4 source = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);
    half3 volumetric = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_VolumetricTex, sampler_VolumetricTex, input.uv).rgb;
    return half4(source.rgb + volumetric, source.a);
}

加法合成物理正确——散射积分计算的是 in-scattering 项（被散射进视线的额外辐射），应叠加到表面辐射上。注意此处省略了表面颜色的透射率衰减（见 §3.1.3）。

3.10 天空盒特殊处理

天空盒像素的深度为 0（Reversed-Z），ComputeWorldSpacePosition 会还原出极远的世界坐标。若用真实距离做 ray march，步长趋于无穷，几乎无采样点落在有限范围内。代码将天空盒的有效距离强制为 maxDistance：

float sceneDistance = isSky ? maxDistance : min(rayDistance, maxDistance);

物理上天空盒在无限远，但视觉上等价于”假设远处介质密度已衰减殆尽，只积分近场 50m”。对大气雾是合理近似。

3.11 光源能量提前剔除

float lightEnergy = max(lightColor.r, max(lightColor.g, lightColor.b));
if (lightEnergy <= 1e-4) return 0;   // 主光源几乎无能量 → 跳过整个 ray march

夜间场景或主光源被关闭时提前返回 0，避免无意义的 128 步循环。

4. 执行时机与 URP 管线架构

4.1 管线插入点

═══════════════════════════════════════════════════════════════
URP 一帧

 (1) Depth PrePass → _CameraDepthTexture
 (2) DrawOpaqueObjects → cameraColorTarget
 (3) DrawTransparents / Skybox

 (4) ★ BeforeRenderingPostProcessing ★              [Volumetric Light Pass]
       │  ┌─ VolumetricLightPass.Execute ────────────┐
       │  │  OnCameraSetup:                           │
       │  │    分配 SourceCopy (full²) + LowResA/B    │
       │  │    (full/downsample) + 3 张 Debug RT      │
       │  │                                           │
       │  │  1. Blit(source → SourceCopy)             │
       │  │  2. Pass0 RayMarch:                       │
       │  │       DrawProcedural(SourceCopy → LowResA) │
       │  │       → 128 步 Ray Marching + 阴影 + 相位 │
       │  │       → 输出散射光 (低分辨率)              │
       │  │  3. Pass1 Blur × blurIterations:          │
       │  │       for i=0..blurIterations-1:          │
       │  │         Horizontal: LowResA → LowResB      │
       │  │         Vertical:   LowResB → LowResA      │
       │  │  4. Pass2 Composite:                      │
       │  │       DrawProcedural(LowResA → source)     │
       │  │       → 散射光 + 场景颜色 (自动上采样)     │
       │  └───────────────────────────────────────────┘

 (5) Post-Processing → Present
═══════════════════════════════════════════════════════════════

为什么在 Transparents 之后：体积光叠加到已完成的场景颜色上（含半透明物体），散射光不应出现在透明物体”背后”。

4.2 主光源依赖

if (renderingData.lightData.mainLightIndex < 0) return;  // 无主光源→跳过

体积光必须依赖场景中的主方向光（GetMainLight()），无主光源时整个 Pass 不入队。

4.3 RT 与内存

RT分辨率用途
_Volumetric_SourceCopyfull²场景拷贝
_Volumetric_LowResAfull/downsampleRayMarch 输出 / Blur Ping
_Volumetric_LowResBfull/downsampleBlur Pong
_Volumetric_Debug_* × 3full² 或 lowResDebug 视图专用

1080p、downsample=2 时，RayMarch+Blur 工作分辨率 960×540，3 张低分辨率 RT 合计 ~6MB，+ 场景拷贝 ~8MB。

4.4 参数打包策略

C# 端将 13 个参数打包为 4 个 Vector4 传入 shader，减少 SetFloat 调用开销：

Vector4 rayMarchParams = new Vector4(steps, maxDistance, intensity, density);   // _RayMarchParams
Vector4 phaseParams    = new Vector4(anisotropy, jitterStrength, shadowStrength, shadowBias); // _PhaseParams
Vector4 heightParams   = new Vector4(heightFogBase, heightFalloff, depthAwareBlurThreshold, 0); // _HeightParams
// + _ScatteringTint (Color) + _SourceTexelSize (Vector4) + _BlurDirection (Vector4)

_HeightParams.z 复用为 blur 的 depthAwareBlurThreshold——blur pass 和 ray march pass 共享同一个 HeightParams 向量，减少参数传递。

5. 实现细节与关键代码

5.1 DrawFullscreen 封装

private void DrawFullscreen(CommandBuffer cmd, RenderTargetIdentifier dest,
                             RenderTargetIdentifier source, int passIndex)
{
    cmd.SetGlobalTexture(MainTexId, source);
    cmd.SetRenderTarget(dest, RenderBufferLoadAction.DontCare, RenderBufferStoreAction.Store);
    cmd.DrawProcedural(Matrix4x4.identity, material, passIndex, MeshTopology.Triangles, 3, 1);
}

所有 Pass 统一用 DrawProcedural + 全屏三角（3 顶点），通过 SetGlobalTexture(_MainTex, source) 传递输入。相比 cmd.Blit，DrawProcedural 在 URP 下顶点变换更稳定（避免 Blit 内部 MVP 不一致导致黑屏）。

5.2 RayMarch Pass 完整流程

half4 FragRayMarch(Varyings input) : SV_Target
{
    // 1) 深度 → 世界空间重建
    float rawDepth = SampleSceneDepth(input.uv);
    bool isSky = /* Reversed-Z 判断 */;
    float3 worldPos = ComputeWorldSpacePosition(input.uv, rawDepth, UNITY_MATRIX_I_VP);
    float3 rayVec = worldPos - _WorldSpaceCameraPos.xyz;
    float rayDistance = length(rayVec);
    float3 rayDir = rayVec / max(rayDistance, 1e-5);

    // 2) 有效积分距离（天空盒截断为 maxDistance）
    float sceneDistance = isSky ? maxDistance : min(rayDistance, maxDistance);

    // 3) 主光源 + 相位函数
    Light mainLight = GetMainLight();
    float3 lightDir = normalize(mainLight.direction);
    float phase = HenyeyGreenstein(dot(-rayDir, lightDir), anisotropy);

    // 4) 中点黎曼和 + Bayer 抖动
    float stepLength = sceneDistance / steps;
    float jitter = Bayer4x4(input.positionCS.xy) * jitterStrength;

    // 5) 透射率累乘积分
    float transmittance = 1.0, accumulatedLight = 0.0;
    for (int i = 0; i < 128; ++i) {
        if (i >= steps) break;
        float3 samplePos = cameraPos + rayDir * (i + jitter + 0.5) * stepLength;

        float density = baseDensity * exp(-max(samplePos.y - heightBase, 0) * heightFalloff);
        float shadow = lerp(1.0, MainLightRealtimeShadow(shadowCoord), shadowStrength);

        float extinction = density * stepLength;              // Δτ
        accumulatedLight += transmittance * shadow * extinction;
        transmittance *= exp(-extinction);                    // T累乘
    }

    // 6) 相位 × 强度 × 色调 × 光色
    float3 scattering = accumulatedLight * phase * intensity * scatteringTint * lightColor;
    return half4(scattering, 1.0);
}

5.3 多级 Debug

debugView输出
Off正常体积光合成
SourceCapture原始场景拷贝
RawLightRayMarch 原始散射光（低分辨率，blur 前）
BlurredLightBlur 后散射光（低分辨率）

Debug 纹理同时暴露为全局纹理（_VolumetricLight_Debug_*），可在 Frame Debugger 或外部材质中查看。LogDebugInfo 可选定时输出主光源信息、低分辨率尺寸、blur 参数等到 Console。

5.4 参数一览与调参指南

参数默认值说明调参建议
scatteringTint暖黄 (1.0, 0.95, 0.85)散射光色调HDR 可超 1.0 增强亮度
intensity0.35散射强度0.1~1.0，配合 density 调
density0.035散射密度基数 σ₀0.02 稀薄，0.1 浓雾
anisotropy0.55HG 不对称因子 g0.3~0.8，越大前向散射越强
maxDistance50最大积分距离 (米)场景越大可增大，但步数需同步增
heightFogBase0雾层基准高度 (世界 Y)设为水面/地面高度
heightFalloff0.08高度衰减率 β0.05 平缓，0.2 锐利分层
shadowStrength1.0阴影强度0=无阴影全亮，1=完全遵循 shadow map
shadowBias0.05阴影偏移acne 时增大，peter-panning 时减小
jitterStrength1.0Bayer 抖动强度0=无抖动（banding），1=全幅抖动
rayMarchSteps32Ray March 步数16 低画质，64 高画质，128 极致
downsample2降采样倍数1 全分辨率（慢），4 极低分辨率（快但糊）
blurIterations2Bilateral Blur 次数0=无 blur（噪声），4=高度平滑
blurRadius1.0模糊半径 (像素)0.5 锐利，3.0 大范围扩散
depthAwareBlurThreshold0.35深度拒止阈值 τ0.1 强边缘保持，1.0 几乎无拒止

6. References

  1. E. J. McCartney. “Optics of the Atmosphere: Scattering by Molecules and Particles.” John Wiley & Sons, 1976. — 大气散射物理模型，辐射传输方程与消光系数。
  2. L. G. Henyey, J. L. Greenstein. “Diffuse Radiation in the Galaxy.” Astrophysical Journal, 88, 70-83, 1941. — Henyey-Greenstein 相位函数原始论文。
  3. Matt Pharr, Wenzel Jakob, Greg Humphreys. “Physically Based Rendering: From Theory to Implementation.” Chapter 11: Volume Scattering / Chapter 15: Light Transport in Participating Media. — 辐射传输方程推导、单次散射近似、Ray Marching 数值积分。
  4. Bart Wronski. “Volumetric Fog: Unified Compute Shader Based Solution.” SIGGRAPH 2014 / Assassin’s Creed IV. — 低分辨率 Ray Marching + Bilateral Blur 降噪范式，工业级体积雾实现。
  5. C. Wyman, C. Dachsbacher. “Implementing Improved Noise for Volumetric Effects.” GPU Pro 5. — Bayer 有序抖动与蓝噪声在体积效果中的应用。
  6. S. G. Narasimhan, S. K. Nayar. “Contrast Restoration of Weather Degraded Images.” IEEE TPAMI, 2003. — 大气散射模型与 Beer-Lambert 定律在计算机视觉中的应用。
  7. Unity Technologies. “URP Scriptable Renderer Features / Main Light Shadows / DeclareDepthTexture.” Unity Manual.