06 Screen Trace

QSTX2026/9/5大约 6 分钟

06 Screen Trace

Voxel Cone Tracing 把辐射写进了三维体素场，但最终要为每一个屏幕像素找到自己的查询起点。Screen Trace 将相机的深度和法线还原为表面点，再把该点送入体素空间，沿法线半球发射 Cone，读取当前可用的 Radiance。它连接的是“屏幕上看见的表面”和“屏幕外仍然存在的体素辐射”，输出仍是一张屏幕空间间接光纹理。

一、屏幕空间查询

RecordRenderGraph 只在 cameraDepthTexture 和 cameraNormalsTexture 都有效时登记 Screen Trace。Pass 读取当前相机的 Radiance 3D 纹理和可选蓝噪声，写入与相机颜色同尺寸的 Screen Trace 纹理；执行函数用全屏三角形调用 VoxelGI_ScreenTraceFragment。

Pass 只负责本帧的空间查询，不重新体素化，也不把 Radiance 写回三维场。追踪参数由当前帧快照设置到全局 Shader 参数，包含首步、步长倍率、最大步数、Cone 角度、质量和强度。

屏幕 UV 的深度值是投影后的非线性值，不能直接当作世界坐标的第三个分量。Shader 先从 _VoxelGIScreenDepth 读取 rawDepth，再按平台的 UNITY_REVERSED_Z 约定判断天空：反向 Z 下 rawDepth <= 0 提前返回，普通 Z 下 rawDepth >= 1 提前返回。天空没有可靠表面位置，继续查询只会把相机射线错误地送入体素盒。

对有效像素，URP 提供的 ComputeWorldSpacePosition 使用屏幕 UV、原始深度和 UNITY_MATRIX_I_VP 做逆投影：

\mathbf p_w=\operatorname{ComputeWorldSpacePosition} (\mathbf u_{screen},d_{raw},\mathbf{UNITY\_MATRIX\_I\_VP})

其中 UNITY_MATRIX_I_VP 是当前相机 GPU 投影矩阵与 View 矩阵乘积的逆。这样得到的 worldPosition 是相机真正看到的表面点，而不是位于近裁剪面或远裁剪面上的猜测点。屏幕法线则从 _VoxelGIScreenNormals 读取并 normalize，它作为 Cone 半球的朝向；深度负责位置，法线负责方向，两者语义不能互换。

相机射线与世界空间体素盒，以及由深度重建的表面点 — 相机射线先在屏幕深度对应的位置得到世界表面点；随后该点才会进入体素盒，成为 Screen Trace 的 Cone 起点。

三、体素坐标转换

体素场的 WorldToVoxel 是以体素为单位的逆变换。世界点先乘矩阵得到连续网格坐标，再除以分辨率 R 转成 Texture3D 所需的归一化坐标：

\mathbf v=\mathbf{WorldToVoxel}(\mathbf p_w),\qquad \mathbf u_{voxel}=\frac{\mathbf v}{R}

当前实现直接表达为：

float3 voxel = mul(_VoxelGIWorldToVoxel,
                    float4(worldPosition, 1.0)).xyz
               / _VoxelGIResolution;
if (any(voxel <= 0.0) || any(voxel >= 1.0))
    return float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);

voxel 是 $[0,1]^3$ 意义下的连续 3D UV，而不是整数体素索引。边界采用严格的内部语义，落在盒面外或盒面上的屏幕表面返回零间接光；这一步也明确了后文 Ray–AABB 讨论的前提：项目的 Cone 起点已经在盒内。

四、Ray–AABB 求交

4.1 Slab 推导是概念模型

下面给出的完整 slab 推导是理解一般 Ray–AABB 求交的概念模型。它说明一条射线如何得到进入段和离开段，适用于需要从盒外起点求交的通用实现；它不是当前 Screen Trace 每一步的实际调用路径。

归一化体素盒是 $\mathbf b_{min}=(0,0,0)$ 、 $\mathbf b_{max}=(1,1,1)$ 的 AABB。对射线

\mathbf r(t)=\mathbf o+t\mathbf d

逐轴求两个平面交点：

\mathbf t_0=\frac{\mathbf b_{min}-\mathbf o}{\mathbf d},\qquad \mathbf t_1=\frac{\mathbf b_{max}-\mathbf o}{\mathbf d}

交换每一轴的较小/较大值后，整体交段为：

t_{enter}=\max(t_{min,x},t_{min,y},t_{min,z}),\qquad t_{exit}=\min(t_{max,x},t_{max,y},t_{max,z})

当 $t_{enter}>t_{exit}$ ，或 $t_{exit}<0$ 时，射线与体素盒没有可用交点；若起点在盒外，通常从 $t_{enter}$ 开始；若起点在盒内，入段已经结束，只需关注 $t_{exit}$ 。

4.2 项目实现：盒内起点逐步出界

当前 VoxelGI_TraceCone 采用更窄的实际路径：屏幕表面经过上一节的 voxel <= 0/voxel >= 1 检查后，Cone 起点必定在单位体素盒内。项目没有在每条 Cone 上再次运行完整 slab 求交，也不单独求 t_enter。

每步只计算：

float3 coordinate = origin + direction * offset;
if (any(coordinate <= 0.0) || any(coordinate >= 1.0))
    break;

这个逐步检查就是当前实现对盒内起点的 t_exit 近似：只要采样坐标离开任一轴的 $[0,1]$ 内部区间，就停止该条 Cone。这样既表达了“只能查询 Voxelization Bounds 内的辐射”，也避免把面向盒外起点的通用求交代码误读成项目实际路径。盒外像素、天空和越界步进均返回零间接光。

五、屏幕 Cone Tracing

每个有效像素以重建的 voxel 为起点，用屏幕法线建立切线基。VoxelGI_SampleHemisphere 把索引映射到单位半球，抖动来自蓝噪声，未提供蓝噪声时使用屏幕像素哈希；这一步只负责生成屏幕端方向集合。

单条 Cone 的步进沿归一化体素空间进行：首步使用 ScreenFirstStep / R 并加入 jitter，之后以 ScreenStepScale 增长步长；每一步执行上一节的盒内出界检查，再从 Radiance 3D Texture 读取样本。Cone 足迹到 Mip 的尺度关系、SampleLevel 的显式 LOD、体素 A 通道的遮挡衰减与停止条件已经在第 05 篇 Voxel Cone Tracing中定义，这里只保留 Screen Trace 的特有边界，不重复整套推导。

屏幕端的 coneCount 有一个优先分支：TemporalActive 时强制为 1；否则才按 Screen Quality 映射为 1、2、4 或 8。多条 Cone 虽然按法线余弦参与 result，但最终是除以 coneCount 而不是 weightSum，再乘 ScreenIntensity。因此这里的输出应称为“屏幕空间间接光近似”，不是经过 weightSum 归一的严格 Irradiance；Temporal 开启且 Motion Vector 有效时，项目可以将每帧的单 Cone 方向交给后续历史阶段累积。

SampleScene 的 Voxel GI ScreenTrace 调试输出 — Unity 6.3、URP 17.3.0 的 SampleScene 实际输出，R=128，Debug Mode=ScreenTrace。该模式在 Temporal 前直接显示单帧屏幕查询；图中的颗粒来自当前帧有限 Cone 与抖动采样。

六、信息互补

Depth/Normals 给出了当前相机看见的精确表面位置与局部方向，却只覆盖屏幕内的第一层可见表面；被遮挡的墙面、相机背后的几何以及屏幕外的发光体不会出现在这些纹理中。体素 Radiance 则覆盖 Voxelization Bounds 内的三维场景，可从当前表面沿半球方向查询屏幕之外的辐射，但受限于体素分辨率、Bounds 和占用平均。

因此 Screen Trace 的职责是以屏幕表面确定“在哪里接收光、朝哪里采样”，以体素场确定“附近空间有什么辐射和遮挡”。天空、盒外位置和越界步进没有可靠的体素查询，返回零；体素场也不替代相机颜色，因为它只输出屏幕空间间接光。