GraphicsLab Project 之 Screen Space Planar Reflection

作者：i_dovelemon

日期：2020-06-23

主题：Screen Space Planar Reflection, Compute Shader

引言

        前段时间，同事发来一篇讲述特化版本的 Screen Space Reflection 实现 Planar Reflection 的文章。出于好奇，实验了下，看看效果如何。如下是目前实现出来的基础版本的效果：

 原理

        对于上图来说， Water Plane 表示水面，上半部分为实际场景的山体，下半部分为以水面为镜像进行反射之后的山体效果。

        对于山体上某一个点（图中白色点）来说，它对应的镜像点为黄色点。

        我们可以从 Screen Position 以及 Depth Texture 信息，计算出来白点的世界坐标位置 WorldPosition。

        然后可以以 Water Plane 所在的平面对该 WorldPosition 作镜像操作，得到 ReflectionPosition。

        得到 ReflectionPosition 之后，我们就能够计算出来 ReflectionPostion 所对应的屏幕坐标 Reflection Screen Position。

        根据前面的操作，我们就可以知道，此时 Reflection Screen Position 所反射的颜色即为 Screen Positon 所表示的颜色。

        基础原理十分简单，但是实际实现的时候，会发现有很多问题。接下里一一讲述。

问题

闪烁

        根据上面的原理，可以想到，有多个像素可能会被反射到相同的位置，如下图所示：

         这样由于 GPU 执行顺序的不确定性，就会导致画面出现闪烁，如下所示：

        针对这样的问题，我们实际需要的反射点是最近的反射点。可以考虑使用 HLSL 中提供的 InterlockedMin/InterlockedMax (参考[1]，[2]) 之类的指令，在写入数据时进行大小比较，从而实现保存最近反射点的功能。

        前面的指令虽然能够实现大小比较，以此进行排序。但是根据前面的描述，我们实际保存的是反射点的颜色。没有办法只根据颜色进行排序，所以我们需要保存其他便于排序的信息，这里选择使用反射点的 Screen Position。并且按照如下方式进行编码，从而实现获取最近反射点的效果：

                        uint2 SrcPosPixel = uint2(DepthPos.x, DepthPos.y);
                        uint2 ReflPosPixel = ReflPosUV * uint2(ReflectWidth, ReflectHeight);

                        int Hash = SrcPosPixel.y << 16 | SrcPosPixel.x;
                        int dotCare = 0;
                        InterlockedMin(HashResult[ReflPosPixel], Hash, dotCare);

Encode and Sort

孔洞

        根据先前算法的描述，我们知道，我们先要根据 Depth 信息和 Screen Position 信息计算出 World Positon，然后镜像之后，在转化为新的屏幕坐标。在这一系列操作中，由于数值计算的不精确性，导致有些地方没有存储到有效的反射点位置信息，从而导致最终显示时画面上有孔洞的情况，如下图所示：

        幸运的是，从结果看这些孔洞并不会聚集在一起，形成大块的黑块。对于这种情况，我们只要在生成反射贴图的时候，检测到没有保存有效位置信息时，遍历下周围的像素，寻找到一个拥有有效像素的值即可解决这个问题，如下代码所示：

        uint Hash = HashTexture[id.xy].x;
        if (Hash == 0x0FFFFFFF)
            Hash = HashTexture[uint2(id.x, id.y + 1)].x;
        if (Hash == 0x0FFFFFFF)
            Hash = HashTexture[uint2(id.x, id.y - 1)].x;
        if (Hash == 0x0FFFFFFF)
            Hash = HashTexture[uint2(id.x + 1, id.y)].x;
        if (Hash == 0x0FFFFFFF)
            Hash = HashTexture[uint2(id.x - 1, id.y)].x;

        if (Hash != 0x0FFFFFFF)
        {
            uint x = Hash & 0xFFFF;
            uint y = Hash >> 16;
            ReflectionTexture[id.xy] = ColorTexture[uint2(x, y)];
        }
        else
        {
            ReflectionTexture[id.xy] = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
        }

Hole

        如下是修正孔洞之后的效果：

实现

        本文的代码是使用 Unity 实现的，实现起来比较简单。比较坑的地方在于 Unity 里面获取 Projection Matrix 要通过 GL.GetGPUProjectionMatrix (文献[3]) 转化一下才能变成传递到 GPU 上用于渲染的投影矩阵。如下是功能核心的 Compute Shader 代码：

// Each #kernel tells which function to compile; you can have many kernels
#pragma enable_d3d11_debug_symbols
#pragma kernel SSPRClear_Main
#pragma kernel SSPRHash_Main
#pragma kernel SSPRResolve_Main

//-----------------------------------------------------------------
float4x4 VPMatrix;
float4x4 InvVPMatrix;
uint Width;
uint Height;
uint ReflectWidth;
uint ReflectHeight;

//--------------------------------------------------------------------
RWTexture2D<int> ClearHashTexture;

[numthreads(8, 8, 1)]
void SSPRClear_Main(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
    if (id.x < ReflectWidth && id.y < ReflectHeight)
    {
        ClearHashTexture[id.xy] = 0x0FFFFFFF;
    }
}

//---------------------------------------------------------------
Texture2D<float> DepthTex;
RWTexture2D<int> HashResult;

#define DownSampleFactor (1)

float3 Unproject(float3 clip)
{
    float4 clipW = float4(clip, 1.0f);
    clipW = mul(InvVPMatrix, clipW);
    clipW.xyz = clipW.xyz / clipW.w;
    return clipW.xyz;
}

float2 Project(float3 world)
{
    float4 worldW = float4(world, 1.0f);
    worldW = mul(VPMatrix, worldW);
    worldW.xy = worldW.xy / worldW.w;
    worldW.xy = (worldW.xy + float2(1.0f, 1.0f)) / 2.0f;
    return worldW.xy;
}

[numthreads(8, 8, 1)]
void SSPRHash_Main(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
    for (uint i = 0; i < DownSampleFactor; i++)
    {
        for (uint j = 0; j < DownSampleFactor; j++)
        {
            uint2 DepthPos = uint2(id.x * DownSampleFactor + i, id.y * DownSampleFactor + j);
            if (DepthPos.x < Width && DepthPos.y < Height)
            {
                float depth = DepthTex.Load(int3(DepthPos.x, DepthPos.y, 0)).x;

                if (depth > 0.0f)
                {
                    float2 uv = (DepthPos.xy * 1.0f) / float2(Width, Height);
                    uv = uv * 2.0f - float2(1.0f, 1.0f);
                    uv.y = -uv.y;

                    float3 PosWS = Unproject(float3(uv, depth));

                    if (PosWS.y > 0.0f)
                    {
                        float3 ReflPosWS = float3(PosWS.x, -PosWS.y, PosWS.z);
                        float2 ReflPosUV = Project(ReflPosWS);

                        uint2 SrcPosPixel = uint2(DepthPos.x, DepthPos.y);
                        uint2 ReflPosPixel = ReflPosUV * uint2(ReflectWidth, ReflectHeight);

                        int Hash = SrcPosPixel.y << 16 | SrcPosPixel.x;
                        int dotCare = 0;
                        InterlockedMin(HashResult[ReflPosPixel], Hash, dotCare);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

//------------------------------------------------------------------------------
Texture2D<int> HashTexture;
Texture2D ColorTexture;
RWTexture2D ReflectionTexture;

[numthreads(8, 8, 1)]
void SSPRResolve_Main(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
    if (id.x < ReflectWidth && id.y < ReflectHeight)
    {
        uint Hash = HashTexture[id.xy].x;
        if (Hash == 0x0FFFFFFF)
            Hash = HashTexture[uint2(id.x, id.y + 1)].x;
        if (Hash == 0x0FFFFFFF)
            Hash = HashTexture[uint2(id.x, id.y - 1)].x;
        if (Hash == 0x0FFFFFFF)
            Hash = HashTexture[uint2(id.x + 1, id.y)].x;
        if (Hash == 0x0FFFFFFF)
            Hash = HashTexture[uint2(id.x - 1, id.y)].x;

        if (Hash != 0x0FFFFFFF)
        {
            uint x = Hash & 0xFFFF;
            uint y = Hash >> 16;
            ReflectionTexture[id.xy] = ColorTexture[uint2(x, y)];
        }
        else
        {
            ReflectionTexture[id.xy] = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
        }
    }
}

ScreenSpacePlanarReflection

结论

        本文只是探索这个方法的可能性，更加复杂的实现，更加高效的优化可以参考文献[4][5]，这也是本文主要参考的对象。

        相比于传统的绘制场景两边的方法来说，这个方案的性能更加高效，同时也没有 SSR 那样的高需求。在条件满足的情况下，使用该方案能够带来显著的效果提升，推荐可以尝试。

        完整代码在这里：https://github.com/idovelemon/UnityProj/tree/master/ScreenSpacePlanarReflection

参考文献

[1] HLSL-InterlockedMax

[2] HLSL-InterlockedMin

[3] GL.GetGPUProjectionMatrix

[4] Screen Space Planar Reflection

[5] Optimized Pixel Projected Reflections for Planar Reflectors