Atmospheric Scattering 是計算機圖形學(xué)中用于模擬天空顏色、日落、體積光（God Rays）和空氣透視效果的核心技術(shù)。
Unity 中實現(xiàn)大氣散射，本質(zhì)上是在解決光線穿過介質(zhì)時的吸收（Absorption）和散射（Scattering）問題。
以下是底層物理原理的深度解析，以及兩種主流實現(xiàn)模式（Raymarching 和 LUT）在 Unity 中的具體落地指南。

第一部分：底層物理原理 (The Physics)

大氣散射的核心是輻射傳輸方程（Radiative Transfer Equation）的簡化版。當光線穿過大氣層時，會與微粒碰撞。

1. 兩種關(guān)鍵散射類型

• 瑞利散射 (Rayleigh Scattering):
  • 原理: 針對比光波長小的微粒（如空氣分子）。
  • 特性: 散射強度與波長的 4 次方成反比 (\frac{1}{\lambda^4})。這意味著藍光（波長短）比紅光（波長長）更容易被散射。
  • 視覺效果: 造成了白天的藍天和傍晚的紅夕陽（光程長，藍光散盡，只剩紅光）。
• 米氏散射 (Mie Scattering):
  • 原理: 針對比光波長大的微粒（如氣溶膠、水滴、霧霾）。
  • 特性: 對波長不敏感，光線主要向前散射（Anisotropic）。
  • 視覺效果: 造成了太陽周圍的白色光暈和霧氣效果。

2. 核心方程邏輯
   要計算眼睛看到某個像素的顏色，我們需要沿著視線（View Ray）積分。
   其中包含三個關(guān)鍵項：

• Transmittance (透射率 T): 根據(jù)比爾-朗伯定律（Beer-Lambert Law），光線在傳播過程中會呈指數(shù)衰減。T = e^{-\sum \text{密度} \times \text{距離}}。
• Phase Function (相函數(shù) S): 決定光線撞擊粒子后向哪個方向散射（瑞利各個方向較均勻，米氏主要向前）。
• Density (密度 \rho): 大氣密度隨高度呈指數(shù)下降（越高越稀?。?。

第二部分：實現(xiàn)模式一 —— Raymarching (光線步進)

這是最直觀、動態(tài)性最強，但性能開銷最大的方法。常用于高質(zhì)量的體積云或即時調(diào)整大氣參數(shù)的場景。

1. 原理
   這是一種暴力計算（Brute-force）方法。

• 在 Pixel Shader 中，從相機向每個像素發(fā)射一條射線。
• 將射線穿過大氣層的部分切分為 N 個步進點（Samples）。
• 核心痛點（雙重循環(huán)）： 在每一個步進點 P，你需要計算由于太陽照射產(chǎn)生了多少光（In-scattering）。這意味著你需要從點 P 再向太陽發(fā)射一條射線來計算透射率。
  • 外層循環(huán)：沿視線累加亮度。
  • 內(nèi)層循環(huán)：計算從太陽到當前點的光照衰減（光路深度）。

2. Unity 實現(xiàn)步驟

• 幾何體: 通常使用一個巨大的反面球體（Inverted Sphere）包裹場景，或者使用全屏后處理（Post-processing）。
• Shader 邏輯:

   // 偽代碼邏輯
float3 CalculateScattering(float3 rayOrigin, float3 rayDir) {
    float3 totalLight = 0;
    float opticalDepthView = 0;

    // 1. Raymarching Loop (視線方向)
    for (int i = 0; i < STEP_COUNT; i++) {
        float3 samplePoint = rayOrigin + rayDir * currentDist;
        float height = length(samplePoint) - PlanetRadius;
        float density = exp(-height / ScaleHeight);

        opticalDepthView += density * stepSize;

        // 2. Secondary Ray (射向太陽) - 內(nèi)層循環(huán)
        // 計算從采樣點到太陽的透射率
        float sunRayOpticalDepth = GetOpticalDepthToSun(samplePoint, sunDir);

        float3 transmittance = exp(-(opticalDepthView + sunRayOpticalDepth) * ScatteringCoefficients);

        totalLight += transmittance * density * stepSize;
    }
    return totalLight * PhaseFunction(dot(rayDir, sunDir)) * SunIntensity;
}

• 優(yōu)化: * 內(nèi)層循環(huán)很慢，通常會限制步數(shù)。
  • 或者將“點到太陽的光學(xué)深度”通過數(shù)學(xué)近似（如 Chapman Function）來替代內(nèi)層循環(huán)。

第三部分：實現(xiàn)模式二 —— Lookup Texture (LUT / 預(yù)計算)

這是工業(yè)界（如 3A 游戲、虛幻引擎、Unity HDRP）的主流做法。著名的實現(xiàn)包括 Sean O'Neil 和 Eric Bruneton 的方法。

1. 原理
   由于大氣層通常假設(shè)為球體對稱，光照結(jié)果只取決于幾個參數(shù)（如高度、視線角度、太陽角度）。我們可以將那個昂貴的積分過程預(yù)先計算（Bake）到紋理中。
   運行時，Shader 不需要做循環(huán)積分，只需要根據(jù)當前的角度和高度采樣紋理。
2. 常見的 LUT 組合
   你需要生成以下幾張紋理（通常是 HDR 格式）：

• Transmittance LUT (2D):
  • 含義: 從大氣中任意高度 h 向任意天頂角 \theta 看去，光線能通過多少。
  • 坐標: X軸 = 視線角度 (0 \to 90^\circ)，Y軸 = 高度 (Ground \to Top)。
  • 用途: 直接替換 Raymarching 中的內(nèi)層循環(huán)（計算點到太陽的透射率）。
• Multi-Scattering LUT (3D 或 4D):
  • 含義: 計算光線經(jīng)過多次散射后的結(jié)果（讓陰影處的天空不至于死黑）。
  • 用途: 疊加到最終顏色上。
• Sky View LUT (2D - 現(xiàn)代主流):
  • 含義: 預(yù)計算最終視線的 In-scattering 結(jié)果。
  • 坐標: 將視線方向參數(shù)化映射到 UV 上。
  • 用途: 直接采樣即可得到天空背景色，極快。

3. Unity 實現(xiàn)步驟

• Compute Shader (預(yù)計算階段):
  • 編寫 Compute Shader，離線或在游戲啟動時運行一次。
  • 執(zhí)行類似 Raymarching 的積分邏輯，但將結(jié)果寫入 RenderTexture。
• Runtime Shader (渲染階段):
  • 在天空盒 Shader 或后處理 Shader 中。
  • 根據(jù)相機位置和視線方向計算 UV 坐標。
  • float3 skyColor = tex2D(SkyViewLUT, uv).rgb;
  • 應(yīng)用色調(diào)映射（Tonemapping）。

大氣散射

在unity urp 內(nèi)置的LUT實現(xiàn)太陽東升西落

不需要那種寫實級別的、帶體積云的、基于 LUT 的高級大氣散射，Unity URP 自帶了一個非常經(jīng)典的解決方案，叫做 "Procedural Skybox" (程序化天空盒)。

1. 最常用的內(nèi)置方案：Procedural Skybox (程序化天空盒)
   這是 Unity 默認用來模擬大氣散射的方法。它不是基于物理的體積渲染，而是一個數(shù)學(xué)近似模型。

• 特點：
  • 輕量級： 性能消耗極低，移動端隨便跑。
  • 半動態(tài)： 當你旋轉(zhuǎn)平行光（太陽）時，它會自動計算日出、日落、夜晚的顏色變化。
  • 局限： 看起來有點“數(shù)碼味”（不真實），沒有云，地平線過渡比較生硬。
• 如何開啟：
  • 在 Project 窗口右鍵 -> Create -> Material，命名為 Mat_Skybox。
  • 選中材質(zhì)，在 Inspector 頂部的 Shader 下拉菜單中選擇：
    Skybox -> Procedural。
  • 打開 Window -> Rendering -> Lighting。
  • 在 Environment 選項卡中，把 Mat_Skybox 拖到 Skybox Material 槽位里。
  • 確保 Sun Source 選的是你場景里的 Directional Light。
• 關(guān)鍵參數(shù) (這就是簡化的散射控制)：
  • Sun Size: 太陽圓盤的大小。
  • Sun Size Convergence: 太陽周圍光暈的大?。M米氏散射）。
  • Atmosphere Thickness: (核心) 大氣厚度。
    • 調(diào)大 = 空氣更厚，散射更強，白天偏黃，日落更紅（像火星或霧霾天）。
    • 調(diào)小 = 空氣稀薄，天空更藍/黑（像高原或太空）。

  • Sky Tint / Ground: 可以在物理計算的基礎(chǔ)上疊加顏色。

    
    
    sun_mat
    
    
    environment
    
    
    移動太陽

2. 純靜態(tài)方案：Cubemap / HDRI (全景圖) (略）

在unity urp 用LUT實現(xiàn)太陽東升西落

在 Unity URP (Universal Render Pipeline) 中實現(xiàn)這套“動態(tài) LUT 大氣散射”方案，核心在于將計算邏輯（Compute Shader）與渲染邏輯（Shader Graph / HLSL）解耦。
這套方案不需要修改 URP 的管線源碼，非常干凈。我們可以把它拆解為三個步驟：

• 數(shù)據(jù)層 (Compute Shader): 負責每幀更新那張“小圖” (Sky View LUT)。
• 控制層 (C# 腳本): 負責傳遞太陽方向，調(diào)度 Compute Shader，并把結(jié)果存入全局變量。
• 表現(xiàn)層 (Shader Graph): 讀取那張圖，貼在天空盒上。

第一步：編寫 Compute Shader (生成器)

首先，我們需要一個能在 GPU 上跑的腳本，用來生成“天空顏色圖”。
創(chuàng)建一個 .compute 文件，比如 SkyLUTGenerator.compute。
(這里為了演示，簡化了物理積分公式，重點展示結(jié)構(gòu))

#pragma kernel CSMain

// 輸出的目標紋理 (那張“小圖”)
RWTexture2D<float4> Result;

// 外部傳入的變量
float3 _SunDir;
float _AtmosphereHeight;
float _PlanetRadius;

// [核心] 簡單的單次散射積分模擬 (Rayleigh + Mie)
// 實際項目中這里要替換成嚴謹?shù)?Bruneton 或 O'Neil 積分公式
float3 IntegrateScattering(float3 rayDir, float3 sunDir) {
    // ... 簡化的偽代碼 ...
    // 計算瑞利散射 (藍色)
    float rayleigh = max(0, dot(rayDir, sunDir)); 
    float3 blue = float3(0.2, 0.5, 1.0) * (1.0 + rayleigh * rayleigh);
    
    // 計算米氏散射 (太陽光暈)
    float mie = pow(max(0, dot(rayDir, sunDir)), 200.0); // 高光指數(shù)
    float3 white = float3(1, 1, 1) * mie;

    return blue + white; 
}

[numthreads(8,8,1)]
void CSMain (uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{
    // 1. 獲取當前像素的 UV (0~1)
    float w, h;
    Result.GetDimensions(w, h);
    float2 uv = id.xy / float2(w, h);

    // 2. 將 UV 映射回 3D 視線方向 (View Direction)
    // 這是一個逆向過程：我們要把 2D 紋理展開成半球
    // 簡單映射：x -> 方位角(Azimuth), y -> 天頂角(Zenith)
    float theta = uv.y * 3.1415926 * 0.5; // 0 到 90度
    float phi = uv.x * 3.1415926 * 2.0;   // 0 到 360度
    
    float3 viewDir;
    viewDir.y = sin(theta);
    float xz = cos(theta);
    viewDir.x = xz * cos(phi);
    viewDir.z = xz * sin(phi);

    // 3. 計算顏色
    float3 color = IntegrateScattering(viewDir, _SunDir);

    // 4. 寫入紋理
    Result[id.xy] = float4(color, 1.0);
}

第二步：編寫 C# 控制器 (驅(qū)動器)

我們需要一個 MonoBehaviour 掛在場景里，負責每幀告訴 Compute Shader 太陽在哪，并運行它。
創(chuàng)建一個 C# 腳本 AtmosphereManager.cs：

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;

[ExecuteAlways] // 編輯器模式下也能運行，方便預(yù)覽
public class AtmosphereManager : MonoBehaviour
{
    public ComputeShader skyComputeShader;
    public Light sunLight; // 拖入你的平行光
    
    // 生成的動態(tài) LUT 分辨率 (如 256x128 足夠了)
    public Vector2Int resolution = new Vector2Int(256, 128);

    private RenderTexture _skyLUT;
    private int _kernelHandle;

    void OnEnable()
    {
        InitRT();
    }

    void InitRT()
    {
        if (_skyLUT == null || _skyLUT.width != resolution.x)
        {
            // 必須是 ARGBFloat 或 ARGBHalf (HDR 精度)
            _skyLUT = new RenderTexture(resolution.x, resolution.y, 0, RenderTextureFormat.ARGBHalf);
            _skyLUT.enableRandomWrite = true; // 允許 Compute Shader 寫入
            _skyLUT.Create();
        }
        _kernelHandle = skyComputeShader.FindKernel("CSMain");
    }

    void Update()
    {
        if (skyComputeShader == null || sunLight == null) return;
        if (_skyLUT == null) InitRT();

        // 1. 傳遞太陽方向 (取反是因為光線從太陽射過來，而我們計算散射通常看光線反方向)
        // 注意：URP 的 Space 轉(zhuǎn)換有時候需要小心，通常用 -transform.forward
        skyComputeShader.SetVector("_SunDir", -sunLight.transform.forward);

        // 2. 綁定紋理容器
        skyComputeShader.SetTexture(_kernelHandle, "Result", _skyLUT);

        // 3. 運行 Compute Shader
        // 線程組數(shù)量 = 分辨率 / 線程組大小(8)
        skyComputeShader.Dispatch(_kernelHandle, resolution.x / 8, resolution.y / 8, 1);

        // 4. 【關(guān)鍵一步】設(shè)置全局紋理
        // 這樣所有的 Shader Graph 只要叫 "_DynamicSkyLUT" 就能自動讀到這張圖
        Shader.SetGlobalTexture("_DynamicSkyLUT", _skyLUT);
    }
}

第三步：URP Shader Graph (接收者)

最后，我們需要一個材質(zhì)球貼在 Skybox 上，讀取上面生成的 _DynamicSkyLUT。

• 創(chuàng)建 Shader Graph:
  • 右鍵 -> Create -> Shader Graph -> URP -> Unlit Shader Graph。
  • 命名為 AtmosphereSkybox。
• 設(shè)置屬性:
  • 在 Blackboard 中創(chuàng)建一個 Texture2D 屬性，命名為 MainTex (或者留空，我們主要靠全局變量)。
  • 重要： 我們不需要在屬性面板里暴露 LUT，因為我們是用 C# SetGlobalTexture 傳進來的。
  • 在 Shader Graph 內(nèi)，添加一個 Property 節(jié)點，名稱必須嚴格改成 _DynamicSkyLUT (不需設(shè)為 Exposed)。這樣它就會自動抓取 C# 傳過來的那張圖。
• 構(gòu)建連線邏輯:
  • Input: View Direction (World Space, Normalized)。
  • Math: 我們需要把 3D 向量轉(zhuǎn)回 UV。
    • Arccosine(ViewDir.y) -> 得到天頂角。
    • Arctangent2(ViewDir.z, ViewDir.x) -> 得到方位角。
    • 將它們 Remap 到 0 ~ 1 的范圍。
  • Sample Texture 2D:
    • Texture: 連上 _DynamicSkyLUT 屬性節(jié)點。
    • UV: 連上剛才計算出的 UV。
  • Output: 連接到 Base Color。
• 應(yīng)用:
  • 創(chuàng)建一個材質(zhì) Mat_Sky，使用這個 Shader。
  • 打開 Lighting 面板 -> Environment -> Skybox Material，換成 Mat_Sky。

第四步：進階技巧 (如何處理霧效 Fog)

如果你只做了 Skybox，場景里的物體還是黑的。為了讓物體也受到大氣影響（即霧效），你需要讓場景里的物體也能讀到這張 LUT。
在 URP 中有兩種做法：

• 簡單做法 (Shader Graph 修改):
  • 在所有場景物體的 Shader (比如 Lit Shader Graph) 中，添加一個 Emission 節(jié)點。
  • 計算物體位置到相機的距離 -> 算出霧的強度。
  • 用同樣的方法（View Direction -> UV -> Sample _DynamicSkyLUT）采樣大氣顏色。
  • 將大氣顏色疊加到 Emission 或 Albedo 上。
• 高級做法 (Render Feature - 后處理):
  • 寫一個 URP ScriptableRendererFeature。
  • 在 RenderPass 中執(zhí)行一次全屏 Blit。
  • 利用深度圖 (Depth Texture) 重建每個像素的世界坐標。
  • 計算該像素到相機的距離。
  • 采樣 _DynamicSkyLUT 并混合顏色。
  • 這相當于自己寫了一個簡單的 Volumetric Fog。

總結(jié)

在 Unity URP 中實現(xiàn)的核心流程：

• C#: Update() -> Dispatch Compute Shader -> Shader.SetGlobalTexture("_SkyLUT", rt).
• Shader: ViewDir -> UV -> Sample(_SkyLUT).
  這樣，無論你怎么旋轉(zhuǎn) Directional Light，C# 都會驅(qū)動 Compute Shader 瞬間重畫 LUT，Shader Graph 里的天空顏色就會實時平滑過渡，實現(xiàn)完美的日出日落。