04 体素光照注入

体素化结束后，规则网格里已经有了表面属性，但这些属性还不是光。本篇把边界收在 DirectRadiance：从 AlbedoOpacity、Normal、独立 Emissive 和方向光阴影开始，说明项目如何得到“自发光 + 当前方向光直射”的体素辐射结果。后续辐射查询所需的其他阶段不在本文展开。

一、辐射体积

体素阶段的 Resolve 结果提供三个输入 3D 纹理：AlbedoOpacity 的 RGB 是表面反照率、A 是占用/遮挡；Normal 的 RGB 是编码到 0–1 的世界法线、A 复用占用值；Emissive 的 RGB 是独立的 HDR 自发光。它们描述“这里有什么表面”，而不是“这里已经收到多少光”。

VoxelGICameraContext 为每个 Base Game Camera 持有这些跨帧体素纹理。光照线程以体素中心回到世界空间，读取 GBuffer；未占用体素直接写零，只有占用体素才继续进行法线、阴影和方向光计算。数据边界可以概括为：

$$\text{Albedo/Normal/Emissive/Opacity} \xrightarrow{\text{visibility + direct lighting}} \text{DirectRadiance}$$

其中 A 通道不是相机颜色的透明度，而是后续体素查询判断占用和遮挡的约定。

二、方向光阴影空间

方向光没有像点光源那样由位置决定阴影体积，项目使用 Light.transform.forward 表示光照方向。VoxelGIFrameMatrices.Create 围绕体素 Bounds 构造一台虚拟光源相机：令 range = bounds.extents.magnitude，把相机放在 bounds.center - forward * range，再用方向光朝向构造 ShadowView。正交投影覆盖 [-range, range]，近裁剪面为 0.01，远裁剪面为 range * 2 + 0.01，确保整个体素立方体落入深度范围。

这里的空间关系可以用一张静态图概括：方向光线彼此平行，正交相机把体素 Bounds 投影到 Shadow Depth；写入 ShadowDepth 时光栅阶段固定使用 Raster Depth Bias (1, 2.5)，而 ShadowNormalBias/ShadowSunBias 不是这一步的光栅状态，它们只在 DirectLighting 采样位置时施加偏移；不可见但需要阻挡 GI 的 Blocker-only 几何只负责写遮挡，不贡献表面颜色。

方向光使用正交阴影空间：立方体可见边为实线、隐藏边为虚线；写入 ShadowDepth 的 Raster Depth Bias 固定为 (1, 2.5)，DirectLighting 采样时另施加表面 Normal/Sun Bias，Blocker-only 只写遮挡。

Unity 的观察空间和 Transform 的局部 +Z 约定不同，创建 View 后会翻转第三行以匹配渲染观察方向。ShadowProjection 使用正交矩阵；启用 Reversed-Z 的平台还会翻转投影的深度相关项。最后用 scale-bias 将齐次 NDC 的 XY 和 Z 从 $[-1,1]$ 映射到 $[0,1]$，组合成 WorldToShadow：

$$\mathbf p_{shadow}=\mathbf{WorldToShadow}\begin{bmatrix}\mathbf p_{world}\\1\end{bmatrix},\qquad (u,v,d)=\frac{\mathbf p_{shadow}.xyz}{\mathbf p_{shadow}.w}$$

$(u,v)$ 是 ShadowDepth 的采样坐标，$d$ 是比较值。它与体素空间的 WorldToVoxel 是两套不同的坐标变换：前者服务方向光投影，后者服务 3D 网格定位。

RecordShadow 把跨帧的 ShadowDepth 导入 Render Graph，ExecuteShadow 清空深度、设置阴影视口和 ShadowView/ShadowProjection，然后恢复相机 View/Projection。绘制的是允许投射 Voxel Shadow 的 Renderer；这张纹理只为本次体素光照服务，不是 URP 相机的普通阴影贴图。

Unity 6.3、URP 17.3.0 的 SampleScene 实际输出，R=128，Debug Mode=Shadow。画面显示的是插件自建的方向光 ShadowDepth 可视化，不是 URP 主光阴影贴图。

这张 ShadowDepth 的写入还固定调用 SetGlobalDepthBias(1f, 2.5f)，并在绘制完成后恢复为零。它解决的是光栅化深度上的自阴影痤疮；DirectLighting 读取深度前再使用按体素尺寸缩放的 Normal/Sun Bias，二者位于不同阶段，不能把它们当成同一个参数。

三、ShadowCaster 与 Blocker

阴影绘制优先查找材质的 ShadowCaster Pass。因此标准 Universal Render Pipeline/Lit 材质的阴影裁剪和相关属性可以直接复用，不需要额外写一份“体素阴影材质”。透明 Render Queue 不进入这条遍历，Alpha Clip 仍可在 URP 的 ShadowCaster 中保留正确的裁剪行为。

当材质没有 ShadowCaster 时，运行时会尝试 VoxelGIShadow。VXGIBlocker.shader 只有这个 Pass：它使用当前注入的光源 View/Projection，把几何写入 Shadow Depth；ColorMask 0 表明它不贡献颜色，ZWrite On 才是它唯一需要的光栅副作用。它没有 UniversalForward，所以语义是 Blocker-only，而不是可以被正常相机渲染的表面材质。

Blocker-only 还要通过 Compute 体素化写入占用：_VoxelGIOpacityOnly 分支只对 OpacityAccumulation 执行 InterlockedMax(..., 65535)，不写 Albedo、Normal 或 Emissive。这样同一几何体同时满足两种约束：在方向光 Shadow Depth 中挡住太阳光，在体素辐射查询中挡住空间传播；它不会制造表面反射或发光。

因此，ShadowCaster 与 VoxelGIShadow 的职责可以分开看：前者按材质已有规则投射阴影，后者让没有可见表面的几何成为 GI 遮挡体。两者最终都服务方向光的可见性判断，但只有普通表面 GBuffer 才提供 Albedo、Normal 和 Emissive。

四、直接光照

VoxelDirectLighting 只处理 A 通道大于零的体素。它从 Normal 读取 $[0,1]$ 编码并还原到 $[-1,1]$，从体素中心求世界位置，再使用方向光方向计算 Lambert 余弦项：

$$\mathbf l=-\operatorname{normalize}(\mathbf{sunDirection}),\qquad N_L=\max(\mathbf n\cdot\mathbf l,0)$$

阴影函数先做两种以体素尺寸缩放的偏移：沿法线加 ShadowNormalBias，沿光照方向的反向项减去 ShadowSunBias。偏移后的世界点经 WorldToShadow 得到 $(u,v,d)$，若坐标超出阴影投影范围则返回完全可见；否则从 ShadowDepth 取存储深度，并按 _VoxelGIReversedZ 选择比较方向。比较结果是 $V_{sun}\in\{0,1\}$。

当前方向光直接项对应：

$$\mathbf L_{direct}=\mathbf A\;N_L\;\mathbf C_{sun}\;I_{sun}\;I_{light}\;V_{sun}$$

其中 $\mathbf A$ 是 Albedo，$\mathbf C_{sun}$ 是方向光颜色，$I_{sun}$ 是 Light.intensity，$I_{light}$ 是 lightIntensity。方向光的选择有确定优先级：若 RenderSettings.sun 非空、处于启用状态且类型为 Directional，优先使用它；否则以 FindObjectsByType<Light>(FindObjectsInactive.Exclude, FindObjectsSortMode.None) 的无排序结果搜索，并返回遍历中第一个活动 Directional Light。项目不注入点光源或聚光灯。没有方向光时，直接项为零，但 Emissive 仍然进入 DirectRadiance。

五、HDR Emissive

Emissive 不从 AlbedoOpacity 推导，也不与方向光阴影相乘。体素化阶段读取 _EmissionMap 和 _EmissionColor，只有 _EMISSION 等价开关开启时才写入；Resolve 后成为独立的 Emissive 3D 纹理。累积时 RGB 以 1024 固定点编码并限制单次值不超过 64，Resolve 再除以量化倍率和样本数，得到每体素的平均 HDR 自发光。

光照阶段使用 emissive = Emissive.rgb * emissiveIntensity，与方向光直接项相加：

$$\mathbf D=\mathbf E\;I_{emissive}+\mathbf L_{direct}$$

其中 $\mathbf E$ 是独立 Emissive 纹理读取值。DirectRadiance 每次重写时都重新读取纯 Emissive，而不是读取上一轮辐射结果；方向光、阴影或强度变化因此不会让自发光逐帧叠加。Emissive 的 A 通道仍复制占用值，保持辐射纹理和空间遮挡的通道契约一致。

六、DirectRadiance

DirectRadiance 的 RGB 是“自发光 + 当前方向光直射”的线性辐射近似，A 是体素占用/遮挡值；它不是材质 GBuffer，也不是屏幕颜色。VoxelGIRenderPass.Lighting.cs 在 VoxelDirectLighting 后为它生成空间 Mip，供后续辐射查询使用。

每一级 Mip 由上一层的 $2\times2\times2$ 体素平均得到：Compute 阶段先把结果写入当前 Lighting Pass 的 Mip Scratch，再复制回目标 3D 纹理对应层级。这里的 Mip 是对 DirectRadiance 的空间足迹预积分，不改变这篇文章的边界：到此为止，体素已经拥有可被后续阶段读取的方向光直射辐射。

Unity 6.3、URP 17.3.0 的 SampleScene 实际输出，R=128，Debug Mode=DirectRadiance。黑色为空体素；可见 RGB 是 Emissive 与方向光直射相加后的体素辐射，不包含 Second Bounce。