什么是 Ambient Occlusion (AO)？
在计算机图形学中，<Ambient Occlusion (AO)> 指的是一种渲染技术，用于模拟<环境光 (Ambient Light)> 在场景中受到阻挡而无法完全到达特定点的现象。简单来说，它不是模拟直接的光线照射，而是模拟<间接光线（环境光）>的“遮蔽”效果。想象一个点接收来自四面八方的柔和环境光，如果附近有其他几何体，这些几何体就会“遮挡”部分环境光到达这个点，使得这个点看起来比周围开放区域的点更暗。AO 捕捉的就是这种局部的遮蔽效应。
这种技术的核心在于计算一个点周围的几何体密度。点周围的几何体越多，环境光被遮挡得越多，AO 值就越低（通常对应于更暗的颜色）。反之，点位于开放区域，周围几何体稀疏，环境光遮挡少，AO 值就越高（对应于更亮的颜色，或者完全不受遮蔽）。
为什么使用 Ambient Occlusion？它的作用是什么？
AO 之所以被广泛应用，是因为它极大地增强了渲染图像的<真实感>和<视觉深度>。虽然它本身不是一种物理上准确的光照模拟，但它非常有效地模拟了现实世界中物体在角落、裂缝、物体与物体接触处出现的柔和阴影效果。具体作用包括：
- 增强细节和纹理表现： 在没有AO的情况下，物体的凹陷、划痕等细节可能不够明显。AO 通过在这些地方产生阴影，使得表面细节更加突出，增加了物体的立体感。
- 提升物体与环境的融合度： AO 使得物体看起来更像是“放置”在环境中，而不是悬浮在空中。通过在物体底部与其支撑表面（如地面）的接触区域产生阴影，AO 帮助将物体“固定”在场景中，提升了画面的可信度。
- 强调形状和结构： 在复杂的几何体结构中，AO 通过突出连接处和凹陷，帮助观众更好地理解物体的三维形状和各个部分的相对位置。
- 增加画面层次： AO 产生的柔和阴影在开放区域和被遮蔽区域之间建立了过渡，增加了画面的层次感和丰富度。
总而言之，AO 是一种相对简单但效果显著的技术，它在不进行复杂全局光照计算的情况下，有效地增强了画面的立体感和真实感。
Ambient Occlusion 在哪里被应用？
Ambient Occlusion 几乎是现代计算机图形应用中的标准配置，你可以在许多领域见到它的身影：
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三维建模和渲染软件： 大多数专业的三维内容创作软件都支持 AO 的计算和渲染，无论是离线渲染还是实时视口预览。例如：
- Blender
- Autodesk Maya
- Autodesk 3ds Max
- Cinema 4D
- Houdini
艺术家可以在这些软件中设置 AO 的计算参数，并将其作为最终渲染输出的一部分，或者烘焙到纹理贴图中。
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游戏引擎： 现代游戏引擎广泛使用各种形式的实时 Ambient Occlusion 技术，以提高游戏画面的视觉质量和沉浸感。常见的游戏引擎如：
- Unity
- Unreal Engine
- Godot Engine
- Source Engine
游戏中的实时 AO 通常是基于屏幕空间的（如 SSAO、HBAO 等），以实现高性能的近似效果。
- 建筑可视化： 在渲染建筑内外景时，AO 用于增强模型的深度和细节，使得墙角、梁柱交接处、家具与地面接触处等看起来更自然真实。
- 产品渲染： 渲染产品模型时，AO 可以帮助突出产品的形状、材质细节，并使其在背景中更具分量感。
- 视觉特效 (VFX)： 电影和动画制作中的视觉特效渲染也经常使用 AO，用于整合不同元素、增强场景的真实感。
Ambient Occlusion 的计算涉及多少性能开销？
Ambient Occlusion 的计算并非免费午餐，它需要消耗一定的计算资源。其性能开销取决于<使用的计算方法>和<设置的质量参数>：
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离线烘焙 (Baked AO)： 这种方法是在渲染之前，将 AO 计算结果预先存储在一张纹理贴图（通常是灰度图）中。
- 计算成本： 烘焙过程可能非常耗时，尤其对于大型或复杂的场景，可能需要几分钟到几小时不等，具体取决于场景复杂度和烘焙精度（如射线数量、分辨率）。这是一个<高昂的前期离线成本>。
- 运行时成本： 一旦烘焙完成，在实时渲染或最终离线渲染时，应用这张 AO 贴图的成本<非常低>，基本上只是一个简单的纹理查找和颜色乘法操作。对于游戏和实时应用来说，这是性能最高的方法。
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实时计算 (Screen Space Ambient Occlusion – SSAO 等)： 这种方法在渲染的<后处理阶段>，基于<屏幕深度信息>和<法线信息>来计算当前屏幕上的 AO 效果。
- 计算成本： 实时计算 AO 会消耗<显卡的计算资源>。成本与算法复杂度、采样点数量、采样半径、输出分辨率等参数直接相关。高质量的实时 AO 会显著降低游戏的帧率。
- 运行时成本： 这是<持续的运行时成本>，每一帧都需要重新计算。
- 参数影响： 增加采样数量、扩大采样半径会提高质量但大幅增加性能开销；降低输出分辨率（全分辨率 vs 半分辨率）可以提升性能但可能引入锯齿或模糊。
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基于射线追踪/路径追踪的 AO： 在支持硬件加速的射线追踪渲染中，AO 可以通过投射射线来计算。
- 计算成本： 这种方法可以提供非常高质量的 AO，但<计算成本通常比 SSAO 更高>，尤其是在需要大量采样以减少噪点时。
- 运行时成本： 这也是<持续的运行时成本>，对硬件要求高。
总的来说，AO 的计算涉及到在<质量和性能之间权衡>。艺术家和开发者需要根据项目需求（是离线渲染还是实时应用）、目标硬件性能以及所需的视觉效果来选择合适的 AO 方法和参数。
如何实现和应用 Ambient Occlusion？
Ambient Occlusion 的实现和应用方式取决于你使用的软件和场景需求。主要分为<烘焙>和<实时计算>两大类：
1. 离线烘焙 AO (Baked AO)
这种方法适用于场景的几何体是静态的，不会在动画或运行时移动或变形的情况。
- 准备模型： 确保你的三维模型有正确的 UV 展开，因为 AO 结果通常会存储在纹理贴图中。
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设置烘焙： 在你的三维软件中，找到 AO 烘焙设置。你需要指定：
- 目标纹理： 选择一个空的纹理槽或创建新的纹理用于存储 AO 结果。指定贴图的分辨率（如 1024×1024, 2048×2048 等）。
- 采样参数： 设置用于计算 AO 的“射线”数量或采样点数量。数量越多，结果越平滑，噪点越少，但烘焙时间越长。
- 最大距离 (Max Distance)： 指定 AO 效果计算的最大影响范围。一个点只会受到这个距离内的几何体的影响。较大的距离会捕捉更远处的遮蔽，但也可能增加计算量。
- 分布方式： 有时可以选择采样点在半球内的分布方式。
- 执行烘焙： 启动烘焙过程。软件会遍历模型表面的点，对每个点计算其 AO 值，并将结果写入指定的纹理贴图。
- 应用贴图： 烘焙完成后，你会得到一张灰度 AO 贴图。将其加载到你的材质球中，通常通过<乘法>的方式与基础颜色或漫反射颜色结合。黑暗的 AO 区域会使基础颜色变暗，从而产生遮蔽阴影效果。有时也会与其他纹理（如法线贴图、高光贴图）结合使用。
2. 实时计算 AO (Screen Space Ambient Occlusion – SSAO)
这种方法适用于需要动态场景或在游戏等实时应用中。
- 启用功能： 在游戏引擎或实时渲染设置中，找到并启用 Ambient Occlusion 功能。
- 选择算法： 游戏引擎通常提供多种实时 AO 算法可供选择，如 SSAO (Screen Space Ambient Occlusion)、HBAO (Horizon Based Ambient Occlusion)、GTAO (Ground Truth Ambient Occlusion) 等。不同的算法在质量、性能和视觉特点上有所差异。
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调整参数： 你可以调整实时 AO 的参数来控制效果：
- 强度 (Intensity / Amount)： 控制 AO 阴影的深浅。
- 半径 (Radius / Distance)： 控制计算 AO 时考虑的周围几何体的距离范围。
- 采样数量 (Samples)： 控制用于计算 AO 的采样点数量。越多越平滑，性能开销越大。
- 偏差 (Bias)： 用于避免在平坦表面上产生自遮蔽伪影。
- 分辨率 (Resolution)： 选择是在全分辨率还是较低分辨率下计算 AO 效果。
- 观察效果： 实时调整参数并在视口中观察效果变化，直到达到满意的视觉质量和性能平衡。
Ambient Occlusion 的工作原理是什么？
Ambient Occlusion 的基本工作原理可以从两个角度来理解：
原理一：半球遮蔽度 (Hemispherical Occlusion)
想象一个点在表面上。在这个点上方，建立一个与表面法线垂直的半球。理想的 Ambient Occlusion 计算会沿着这个半球的表面，向周围的场景投射大量的射线（或采样方向）。然后，算法会检测有多少射线被场景中的其他几何体阻挡（击中物体）。
- 如果这个点位于一个开放、平坦的区域，投射的大多数射线都不会击中任何东西，那么这个点的 AO 值就很高（接近 1.0），表示几乎没有环境光被遮蔽。
- 如果这个点位于一个角落或裂缝中，投射的很多射线会很快击中附近的墙壁或其他几何体，那么这个点的 AO 值就低（接近 0.0），表示大部分环境光被遮蔽了。
AO 值通常是未被阻挡的射线比例的一个函数。这是一个计算量非常大的过程，尤其是在需要大量射线以获得平滑、无噪点的结果时。
原理二：近似计算
由于理想的半球射线投射计算成本太高，实际应用中通常使用各种近似方法：
- 烘焙 AO： 虽然也是基于射线投射，但它是在离线进行的，并将结果存储为纹理，避免了实时的昂贵计算。
- 屏幕空间 AO (SSAO)： 这是最常见的实时近似方法。它不像投射射线到整个三维场景中，而是仅仅<使用当前屏幕上已有的深度和法线信息>来判断一个点周围的遮蔽情况。它会以某个点为中心，在屏幕空间（而不是三维空间）的球体或半球体内随机采样周围的一些点。然后，通过比较采样点的深度与中心点的深度，来估计中心点是否被采样点“遮挡”。这是一种非常快速的近似，但它有局限性——只能“看到”屏幕上的信息，无法考虑屏幕外的几何体遮蔽，可能产生一些伪影或不准确的遮蔽。
- 其他实时 AO 方法： 还有很多改进的实时 AO 算法（如 HBAO、SSDO、GTAO 等），它们在采样策略、使用信息（如景深、像素速度）或计算方式上有所不同， aim to produce higher quality results with better performance characteristics compared to basic SSAO.
无论使用哪种方法，核心思想都是通过某种方式（无论是真实的射线追踪还是基于屏幕信息的近似）来估计一个表面点接收环境光的“通透度”，然后将这个通透度转化为一个遮蔽系数，用于调暗或调亮最终渲染的颜色。
