SSR 屏幕空间反射

先把题目说成人话

大厅的光滑地面本来照得到一根柱子；相机稍微转动，柱子离开画面边缘，倒影也跟着断掉。这里要解决的现实问题是：不用再渲染一遍完整世界，只借当前画面已有的颜色和远近记录，快速找到一份反射近似；同时承认画面外、遮挡后和背向相机的信息根本不在手里。

这种在当前画面里找反射的办法叫屏幕空间反射（Screen Space Reflection，简称 SSR）。记录每个像素最近表面远近的图叫深度缓冲（Depth Buffer），以相机为原点描述三维位置叫视图空间（View Space）。沿反射方向一小步一小步探测叫视线步进（Ray March），资料缺失时交给探针或环境贴图的答案叫备用方案（Fallback）。

这是虚构教学故事，不是个人项目经历。

场景：先让问题变得看得见

大厅地面反射着柱子。相机转动时，柱子一接近屏幕边缘，倒影就被切掉；相机看不到的柱背也不会出现在反射中。

SSR 通常读取相机颜色、深度和法线，并用投影矩阵在 view space 与 screen space 之间转换。若管线没有法线缓冲，就要额外生成或从 G-buffer 取得；因此“只需要三张图”不是跨管线的固定事实。

（右脑）画面：大厅里有一块擦得发亮的地砖，一根红柱完整地映在上面。你把相机慢慢转向右边，柱子本身刚刚离开画框，地上的倒影也突然断掉；可你站在现场，明明知道那根柱子还在原处。再往前走，另一根柱子被近处的墙挡住，它在地砖上的倒影也找不到了。倒影缺的不是光泽，而是这张画面已经看不见的东西。

（左脑）对表：核验对象是 view-space 起点、单位方向、步长、投影 UV、线性场景深度、射线深度与置信度。绿色命中、红色越界和黄色误穿是观察事实；“加步数就能补全反射”是假设，证据必须来自深度交叉 debug 与抓帧。所有深度必须采用同一正负号与单位，UV 只在 0–1 屏幕域内有效，厚度容差要与线性深度口径一致；颜色缓冲还可能缺少被遮挡或屏幕外信息。手电地图类比解释信息边界，但类比不等于命中正确。

小明：先形成一个完整猜测

小明认为把 SSR 提到全分辨率、增加模糊和步数，就能补回缺失的倒影。这能减轻锯齿和步进断层，却不能生成屏幕外的数据。

把屏幕边缘外的区域标红后，增加步数仍然 miss。这个失败把两类问题分开了：采样不足可以提高质量，信息不存在只能回退。

小红：把猜测放回现实检查

小红把射线经过的屏幕路径画出来：起点来自当前像素，方向由视线和法线决定；路径每走一段，就拿自己的深度去问深度图“这里有没有表面”。绿色表示找到候选表面，红色表示越界，黄色表示深度容差过大而穿到了错误物体。

她分别调整步数、厚度容差和分辨率。步数不足产生断层；容差过大容易穿墙或粘到错误表面；降分辨率会使细反射模糊。三种现象不能用同一个“质量”旋钮解释，屏幕外的红色区域更不能靠增加步数变绿。

我：用检查结果修正模型

我优先缩小使用范围：只让足够光滑、屏幕占比较大的反射面运行 SSR；粗糙或远处像素直接用探针。移动端再组合：

• 半分辨率或棋盘格追踪，配合边缘感知上采样；
• 较少的粗步进，加二分细化或 Hi-Z 粗到细查找；
• 按 roughness、距离、屏幕边缘和材质 mask 提前退出；
• 复用前一帧结果时加入运动向量、邻域钳制与失效处理，避免拖影；
• 始终提供 Reflection Probe/cubemap fallback。

移动端瓶颈不只在 ALU。全屏读颜色、深度、法线和层级深度会产生带宽成本；循环步数带来纹理采样与分支发散；半分辨率则以稳定性和细节为代价。必须在目标设备的 Unity Player 构建中测量。

（右脑）画面修正：小明让射线多走几步，画框里面原本断续的倒影确实连贯了一些，可那根已经离开画框的红柱仍旧没有回来。小红把寻找过程显示出来后，才分清哪些路线真正碰到了表面，哪些只是穿到了错误物体，哪些已经走出屏幕。屏幕里找得不够细可以继续改进；屏幕根本没有记录的部分，只能让反射探针等备用结果接过去。

（左脑）严格对表：算法按序执行：由深度重建 $P_{view}$；把 $N$ 与指向相机的单位 $V$ 置于 view space；计算 $R=reflect(-V,N)$；沿 $P+tR$ 步进并投影到 UV；若 UV 越界立即 miss；在线性深度上检测跨越并细化候选命中；通过法线、距离、边缘与厚度检查生成置信度；最后以置信度混合相机颜色和 Probe。粗糙表面还要按反射波瓣读取合适的颜色层级或采用锥形近似，单个清晰命中点不能自动代表粗糙反射。验收需分别记录 hit、错误命中、越界、步数、纹理读取与 GPU 时间，不能用最终倒影“看起来连续”替代这些条件。

老师解惑

实现流程按空间顺序展开：

1. 从深度重建表面在 view space 的位置。
2. 将法线变到同一空间，并约定 V 是“从表面指向相机”的 view-space 单位向量；因此入射方向是 -V，用 $R=\operatorname{reflect}(-V,N)$ 得到从表面射出的反射方向。
3. 沿 $R$ 前进，将样本投影到屏幕 UV。
4. 比较射线深度与深度缓冲；跨过表面时判为候选命中，再用二分或更细步进收敛。
5. 命中后读取相机颜色，并根据边缘、粗糙度、射线长度和法线一致性计算置信度。
6. 越界、背面、遮挡或未命中时，混合 Reflection Probe、cubemap 或其他 fallback。

• 深度命中：比较射线当前深度与场景深度，判断是否跨过已渲染表面。
• 厚度容差：允许两份深度有小范围误差；太小容易漏，太大容易穿墙。
• Hi-Z：深度金字塔让射线先跳过大块空区域，再逐级细化。
• 置信度：把边缘、角度、距离和命中质量汇成权重，使 SSR 平滑过渡到 fallback。
• 固有缺陷：屏幕外、遮挡后和背面没有可靠颜色，任何步数都无法补齐。

工具分工

• SSR failure Lab：显示 hit、miss、越界和 fallback，建立屏幕空间边界直觉。
• Unity Frame Debugger：确认 SSR Pass 读取、写入了哪些缓冲，以及合成顺序。
• Unity Profiler（GPU Usage）：在目标 Player 上测步数、分辨率和 temporal 路径的真实成本。
• RenderDoc：查看深度层级、命中纹理和合成中间结果。

记忆钩子

SSR 是在当前屏幕地图上探路：命中取颜色，越界就回退；步数只能修采样，不能创造不存在的信息。