03 Compute 体素化

体素空间与 3D GBuffer 定义了数据应该存在哪里；本篇处理另一半问题：如何把 Unity 场景中的 Renderer、网格和材质转换为对三维网格的并发写入。当前实现不要求材质额外提供 Voxelization Pass，而是由 Compute Shader 读取 Raw Vertex/Index Buffer，按三角形覆盖范围写入原子累积 Buffer，最后 Resolve 成浮点 3D GBuffer。

一、Renderer 输入

体素化从 Renderer Registry 的快照开始。它会排除未启用、非活动层级、forceRenderingOff、LayerMask 不匹配、Bounds 与体素立方体不相交的 Renderer；只保留包含三角形 SubMesh、处于 Opaque Render Queue 且允许贡献表面的对象。

MeshRenderer 与 SkinnedMeshRenderer 都能进入同一流程。普通 Mesh 读取静态网格缓冲区；Skinned Mesh 读取当前蒙皮后的顶点缓冲区。它们最终都转换为三角形、材质参数和对象变换，再交给同一个 VoxelizeMesh Kernel。

Registry 提供的是候选对象集合，不替代 URP 的正常渲染。体素化只额外建立场景的三维表面缓存，普通材质仍继续走 URP/Lit 的可见表面 Pass。

二、网格缓冲区

普通 Mesh 使用 Mesh.GetVertexBuffer 与 Mesh.GetIndexBuffer 取得原始缓冲区。对于 SkinnedMeshRenderer，位置、法线和 UV 所在的 stream 使用 SkinnedMeshRenderer.GetVertexBuffer，从而读取当前变形后的顶点；索引仍来自 Mesh.GetIndexBuffer。

Compute Shader 将位置、法线、UV 和索引输入声明为 ByteAddressBuffer。它不假定所有模型共用同一顶点布局，而是由 C# 同时传入每个属性的 stream、stride、offset、format 和 dimension。Shader 根据顶点编号计算属性字节地址，再把原始 word 解码为需要的分量。

这条输入路径让 Compute 阶段直接处理几何数据，同时避免复制一套 URP/Lit 表面 Shader。体素化关心的是表面在三维网格里的离散覆盖，最终画面仍由常规渲染路径产生。

三、顶点与索引格式

一个顶点属性的读取地址由顶点编号、stream、stride 和属性 offset 决定：

$$byteAddress = vertexIndex \cdot stride + offset$$

Position、Normal 与 TexCoord0 可以位于不同 stream。若 Mesh 缺少 Normal，体素化使用三角形面法线；若缺少 UV，则以零坐标采样材质。C# 把 VertexAttributeFormat 和 dimension 编码为参数，Shader 据此读取 Float32、Float16 或归一化格式。

每个 SubMesh 提供 indexStart、indexCount 与 baseVertex。逻辑索引先映射到 Index Buffer 地址，再按 16 位或 32 位 index format 解码：

$$(i_0,i_1,i_2)= \bigl(Index(first),Index(first+1),Index(first+2)\bigr)$$

位置经过 ObjectToWorld 和 WorldToVoxel 后才进入覆盖测试。法线使用对象矩阵的逆转置变换，以保持非均匀缩放下的正确方向。

四、SubMesh Dispatch

每个 Triangle SubMesh 对应一次 VoxelizeMesh Dispatch。三角形数量由该 SubMesh 的 indexCount 得到：

$$triangleCount=\frac{indexCount}{3}$$

VoxelizeMesh 的线程组大小为 $(64,1,1)$，每个线程处理一个三角形。Dispatch 组数以 CeilDiv 计算，Shader 通过 SV_DispatchThreadID 的边界判断跳过超过 triangleCount 的线程，因此三角形数量不需要恰好是 64 的倍数。

Dispatch 前会绑定 ObjectToWorld、NormalToWorld、indexStart、baseVertex、Raw Buffer 描述与材质参数。相同 Kernel 因而能够处理不同顶点布局、不同材质和不同 SubMesh。

五、材质数据

体素化复用 URP/Lit 的常用属性。_BaseMap 与 _BaseColor 决定 Albedo；_EmissionMap 与 _EmissionColor 只在 _EMISSION 关键字开启时写入 HDR Emissive；_AlphaClip 与 _Cutoff 决定一个采样点是否在写入前被丢弃。

透明 Render Queue 整体不参与当前体素化。Alpha Clip 与透明不同：它仍是离散表面，只是在采样 BaseMap 后按 Cutoff 丢弃不足以覆盖的部分。因此树叶和栅栏等 Alpha Clip 材质能够写入体素，半透明玻璃不会被当作不透明 GI 表面。

重心坐标同时插值 UV、世界法线和第三维位置。材质采样发生在候选体素中心，而不是顶点上，因此纹理、Emission 与裁剪都与真实覆盖位置对应。

六、主轴投影

三角形位于三维体素网格中，但覆盖测试适合先在二维完成。Kernel 计算体素空间面法线：

$$\mathbf n=(\mathbf v_1-\mathbf v_0)\times(\mathbf v_2-\mathbf v_0)$$

叉积得到垂直于三角形平面的面法线；顶点绕序反向时法线方向反向。法线分量随后用于选择主轴投影。

叉积的长度表示由两条边向量张成的平行四边形面积，方向则由右手定则决定；因此交换顶点绕序会同时反转法线方向，而法线分量随后用于选择主轴投影。

再选择绝对分量最大的轴：

$$axis=\operatorname*{arg\,max}(|n_x|,|n_y|,|n_z|)$$

RGB 坐标轴由用户生成的 CoordinateArrow.glb 组成，滑块可改变法线分量；Demo 会高亮最大绝对分量对应的主轴与投影平面。下方静态 SVG 继续作为固定 $z$ 主轴案例。

沿该轴观察时，三角形投影面积最大，不容易退化为细线。选择 $x$ 时在 $yz$ 平面测试；选择 $y$ 或 $z$ 时相应使用 $xz$ 或 $xy$ 平面，未投影的第三个坐标随后由重心权重恢复。

选择最大法线分量对应的观察轴，把三维三角形投影到面积最大的二维平面；投影后的格点测试决定候选体素。

七、覆盖测试

投影后的三角形先计算二维包围盒，只遍历可能被覆盖的整数格点。对每个候选体素中心 $(x+0.5,y+0.5)$，Kernel 计算三条有向边函数：

$$E(\mathbf a,\mathbf b,\mathbf p) =(p_x-a_x)(b_y-a_y)-(p_y-a_y)(b_x-a_x)$$

三条边函数与三角形有向面积组合为重心坐标。若采样点位于三条边的同侧，便属于投影三角形；重心权重可插值 UV、世界法线以及未投影的第三维，再恢复三维体素坐标。

细小或倾斜三角形可能从离散格点之间穿过。conservativeRasterization 开启后，包围盒和边函数容差按 conservativeScale 扩张，减少这种空洞；代价是更多候选体素、更多材质采样与更高的原子竞争。

八、并发累积

不同三角形常会覆盖同一个体素，因此不能依赖线程写入顺序。三维体素坐标先被压平为线性地址：

$$address=x+R(y+Rz)$$

本帧使用 AlbedoAccumulation、NormalAccumulation、EmissiveAccumulation 与 OpacityAccumulation 四个原子 Buffer。Albedo 与 Normal 通过 Compare-And-Swap 循环维护量化后的增量平均；Opacity 使用 InterlockedMax 保留最大遮挡；Emissive 使用 uint4，以 1024 固定点缩放 RGB，并用第四个分量记录样本数。

这些 Buffer 是并发写入的中间态，不是 3D GBuffer。本次 Pass 结束后，它们会被 Resolve Kernel 转换为浮点三维纹理。

九、GBuffer Resolve

体素化由三个 Compute Kernel 串成一个阶段：

Kernel	线程组	职责
ClearVoxelAccumulation	$(256,1,1)$	清空四个原子累积 Buffer
VoxelizeMesh	$(64,1,1)$	每线程处理一个三角形并写入累积 Buffer
ResolveVoxelAccumulation	$(8,8,8)$	解码累积值并写入浮点 3D GBuffer

Resolve 时，没有表面样本的体素写入零 Albedo 与默认编码法线；有表面样本的体素解码平均 Albedo、Normal 和 Emissive，并写入持久的 AlbedoOpacity、Normal、Emissive 纹理。Opacity 保持占用和遮挡语义，而不是相机颜色的透明度。至此，Renderer、Raw Mesh Buffer、材质属性和三角形覆盖都被压缩为规则三维数据，后续光照阶段只需读取这些 GBuffer。