Chiuhou 技术博客

SSAO - Screen Space Ambient Occlusion 屏幕空间环境光遮蔽今天实现了 SSAO（Screen Space Ambient Occlusion）——现代实时渲染管线中最重要的后处理技术之一。从 Crysis（2007）开始被引入游戏工业，此后成为 UE、Unity 等引擎的标配功能，也是《赛博朋克 2077》、《荒野大镖客2》等 AAA 游戏中真实感的重要来源。 本项目在纯 CPU + 软光栅化器上从零实现完整的 SSAO 管线，不依赖 GPU 或任何图形 API，完整掌控每个数学细节。 为什么需要 SSAO？传统环境光的问题实时渲染中，处理全局光照（Global Illumination）在计算上开销极大。最简单的近似是用一个常数环境光项代替所有间接光照： 1ambient = albedo × k_a × L_ambient 这意味着场景中所有点受到同样强度的环境光，结果是球体底部贴地处和空旷的墙面获得完全相同的环境光强度——不真实，缺乏层次感。 现实中，环境光不是均匀到达的： 狭窄缝隙里的光线被周围几何体阻挡 凹陷区域（角落、裂缝）...

Cascaded Shadow Maps — CSM 级联阴影昨天实现了 PCSS 软阴影，解决了”阴影软化”的问题。今天面对另一个经典难题：大场景下的阴影精度。 问题是这样的：用一张 Shadow Map 覆盖整个场景，近处的阴影分辨率会严重不足——一个 Shadow Map 的纹素可能对应几十平方米的地面，阴影边缘会出现巨大的锯齿块；但如果把 Shadow Map 只覆盖近处，远处又会完全没有阴影。 CSM（Cascaded Shadow Maps，级联阴影映射） 的解法是：把视锥体按深度切成若干段，每段用一张独立的 Shadow Map，近处精细、远处粗略——跟 Mipmap 的思路如出一辙。 今天完整实现了 4 级 CSM，包含对数线性级联分割、每级独立正交投影和 PCF 软阴影。 效果展示主渲染（含 CSM 阴影） 近景红球、中景紫球橙球、远景山丘都投射出软化阴影，地面阴影由近到远精度自然过渡。 级联区域可视化 颜色叠层：红色 = Cascade 0（最近） | 绿色 = Cascade 1 | 蓝色 = Cascade 2 | 黄色 &...

TAA 时域抗锯齿渲染器打开任何一款现代游戏，进入设置找到抗锯齿选项，几乎一定有 TAA。UE4、UE5、Unity HDRP、寒霜引擎、虚幻竞技场……这项技术几乎无处不在。 但 TAA 背后隐藏着一个精妙的思想：不在当前帧多次采样，而是把采样分散到时间轴上——每帧只用 1 个采样点，但通过累积历史帧信息，等效获得几十次超采样的质量。 今天从零实现这套机制，包括它的两个核心难题：如何选择每帧的采样偏移（Jitter），以及如何防止历史帧信息带来的鬼影（Ghosting）。 四图对比 左上：No-AA（明显锯齿）| 右上：SSAA 4x（参考质量）左下：TAA + Variance Clipping（无鬼影）| 右下：TAA 无 Variance Clipping（残影可见） 第一章：为什么会有锯齿？理解 TAA 之前，先理解锯齿的成因。 像素是离散的小方块，而几何边缘是连续的斜线或曲线。当一条斜线穿过像素时，这个像素要么完全被覆盖（点亮），要么完全没有覆盖（不点亮）——没有中间状态。这种二值化就产生了锯齿（Aliasing）。 香农采样定理给出了理论解释：要正确还原一个频...

PCSS 软阴影渲染器现实世界中，阴影从来不是非黑即白的——靠近物体的地方阴影清晰，远离的地方阴影边缘模糊渐变。这种效果叫做半影（Penumbra），是面光源（有面积的光，区别于理想点光源）的自然产物。 今天实现了三种阴影算法，从最简单的硬阴影，逐步演进到 UE5/Unity HDRP 都在用的 PCSS（Percentage Closer Soft Shadows）——一种能根据遮挡距离自适应调整半影大小的软阴影算法。 三种算法对比 从左到右：Hard Shadow（硬阴影） | PCF（固定软化） | PCSS（自适应软阴影） 注意 PCSS 的阴影：球体与地面接触处的阴影清晰，悬空球体的阴影边缘模糊扩散——这才是物理正确的半影效果。 第一章：为什么会有半影？用一张图来理解： 12345678 ○○○○○ ← 面光源（有面积） ||| A──B──C ← 遮挡物（球体） /|\ / | \ / | \阴影 半影 阴影（全暗）（渐变）（全亮） 本影（Umbra）：被遮...

SPH Fluid Simulation — 流体模拟水往低处流——这句话人人都知道，但计算机怎么”理解”水？ 让它记住每个水分子的位置？不现实，一杯水有 $10^{25}$ 个分子。用格子把空间切开记录密度？可以，但不够灵活。今天用的是第三种方法：把水离散成一堆会动的粒子，粒子之间互相感知、互相推挤，集体涌现出流体行为。 这就是 SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics，平滑粒子流体动力学），一种用于电影水特效、工程爆炸模拟、宇宙演化计算的经典算法。 最终效果 颜色映射速度：🔵 蓝色 = 静止，🟡 黄色 = 中速运动，🔴 红色 = 高速冲击。 600 个粒子从左下角的方块初始状态，在重力作用下铺展、碰壁、最终沉底——整个过程模拟了约 2 秒的物理时间。 模拟序列——流体如何从方块变成摊开的液体 t=0s（初始方块） t=0.5s（开始扩散） t=1.0s（持续铺展） t=1.5s（接近稳定） t=2.0s（最终状态） 第一章：为什么是”...

Cloth Simulation — 布料模拟一件衬衫被风吹起的样子，一块丝绸落在桌面上的纹理，游戏里的旗帜随风飘动——这些看似简单的视觉效果，背后隐藏着一个有趣的物理问题：如何用计算机模拟柔软的织物？ 今天实现了经典的质点弹簧布料模拟，这是游戏引擎和影视特效中处理布料最常见的基础方案。 最终效果主渲染图（含风力的最终状态） 红色布料从水平展开的初始状态，在重力拉扯下垂落，包裹住下方的球体，随后被侧风吹起一角。Phong 着色区分正面（深红）和背面（暗红），形成明显的布料折叠感。 物理演化序列（0 → 150 → 300 → 600 帧） 从左上到右下：布料从展开状态，逐渐在重力作用下垂落，绕过球体弯曲，最终稳定在平衡态。 第一章：为什么布料模拟难？布料的本质是大量纤维交织的网。真正从纤维层面模拟是不现实的——一件 T 恤大概有几十亿根纤维。 工程上的解法是离散化：把布料简化成有限个质点，再用弹簧连接它们，让弹簧产生的弹力近似真实布料的弹性。这就是 Mass-Spring System（质点弹簧系统）。 直觉模型：想象一个渔网。每个网结是一个质点（有质量，能运动），绳子是弹簧...

前言：一个奇怪的问题如果有人给你一个数学公式，比如： $$f(x, y, z) = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2} - 1$$ 你能在 3D 空间里把它”画”出来吗？ 答案是可以的。$f(x,y,z) = 0$ 的所有点，恰好就是一个半径为 1 的球面。这种”由方程定义的曲面”叫做等值面（Isosurface）。 问题是：计算机显卡只会画三角形，不会直接画”方程”。我们需要一个算法，把等值面转换成三角形。 这就是 Marching Cubes（行进立方体）的工作。 今天我们从零实现这个算法，得到下面这张图： 这是 5 个球用”平滑融合”连接在一起的有机形状，由 15,196 个三角形组成，生成耗时 0.078 秒。 一、等值面是什么？用 SDF 定义三维形状隐式表示 vs 显式表示3D 形状有两种定义方式： 显式：直接列出表面上的点（三角网格、点云）。隐式：用一个函数 $f(x,y,z)$ 描述空间中每个点和形状的关系。 隐式表示里最常用的是 SDF（Signed Distance Field，有符号距离场）： $f(x,y,z) &...

前言：一个有趣的现象拿一根蜡烛，把手指挡在烛火和你眼睛之间——手指会变成橙红色，你能看见指骨的轮廓。 同样的事情对一块金属做，金属只是变暗，没有颜色变化。 这两种东西的区别是什么？ 答案是：次表面散射（Subsurface Scattering，SSS）。 金属：光打到表面就反射回来，不进入内部 皮肤/蜡烛/玉石：光穿入材质内部，在里面散射若干次，然后从不同位置的表面射出 今天我们从零实现一个 SSS 渲染器，渲染出下面这张图： 左边的橙色球是蜡烛材质，中间偏左是皮肤，小球是玉石，右边银色是金属对比。注意背光（来自后方的蓝光）穿透了蜡烛和皮肤，而金属没有任何穿透效果。 第一步：理解光和材质的关系在讲代码之前，我们先搞清楚两类材质的根本区别： 不透明材质（金属、木头）123光 → 打到表面 → 反射/散射 → 到达眼睛 ↑ 光不进入内部 光照模型：Phong / PBR，只考虑表面那一层。 半透明材质（皮肤、蜡烛、玉石、牛奶）123光 → 穿入表面 → 在内部散射N次 → 从其他位置的表面射出 → 到...

前言普通的 3D 渲染处理的是表面——三角形、球面、平面——光线打到表面就结束了。 但云、雾、火焰、体积光……这些东西没有明确的表面。光线穿进去，在里面反复散射，最终才到达眼睛。这类渲染统称体积渲染（Volume Rendering）。 今天我们用 C++ 从零实现一个体积云渲染器，效果如下： 可以看到云层有明显的厚薄变化、云底阴影、受光面亮背光面暗的立体感。 整个项目涉及 4 个核心技术，我们逐一讲清楚： Ray Marching — 如何穿越体积 Perlin FBM — 如何生成云的形状 Beer-Lambert — 如何模拟光被吸收 Henyey-Greenstein 相位函数 — 如何模拟散射方向 一、Ray Marching：像走路一样穿越体积原理表面渲染里，光线打到三角形就有精确的交点。但体积没有”表面”，怎么求交？ Ray Marching 的答案很简单：沿光线方向一步一步走，每走一步就采样一次。 123起点 ──→ ● ● ● ● ● ● ● → 终点 ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 每步采样一次密度场 伪代码： 123456t ...

CPU粒子系统 - 火焰与烟雾模拟粒子系统是游戏引擎和实时渲染的核心技术之一。今天从零实现一个完整的 CPU 粒子系统，模拟真实的火焰、烟雾和飞散火星效果。 效果预览火焰稳定状态（3秒预热后） 时序演变（四帧对比） 从左到右：粒子系统从少到多，逐渐形成稳定火焰形态 项目目标实现一个功能完整的 CPU 粒子系统，具有： 三种粒子类型：火焰、烟雾、火星 物理模拟：浮力、重力、湍流、阻尼 软粒子渲染：高斯衰减 + 加法/Alpha 混合 颜色生命周期：从热核心到消散的完整颜色渐变 系统架构粒子结构每个粒子持有以下状态： 123456789101112struct Particle { Vec2 pos; // 位置 Vec2 vel; // 速度 float life; // 当前生命值 [0,1] float maxLife; // 生命持续时间（秒） float size; // 当前大小（像素） float maxSize; // 最大尺寸 float tur...