Unity Shader 系列（十）：URP AO 技术全景 — SSAO、烘焙 AO 与洞穴材质实战

什么是 AO，为什么游戏中不可缺少？

环境光遮蔽（Ambient Occlusion，AO）模拟的是一种物理现象：在凹陷、缝隙、角落等处，来自四面八方的间接环境光被周围几何体遮挡，导致这些区域比开放区域更暗。

游戏中的 AO 有三种主要来源：

1. 实时 SSAO（Screen Space Ambient Occlusion）：每帧实时计算，响应动态场景变化
2. 烘焙 AO（Baked AO in Lightmap）：预计算到 Lightmap 贴图中，移动端友好
3. 贴图 AO（AO Map）：美术手动制作，存储在材质贴图的特定通道

实际游戏应用：

1. 《黑神话：悟空》等 AAA 游戏：SSAO + GTAO 叠加，洞穴内部、岩石缝隙有强烈 AO 暗化
2. 开放世界室外场景：烘焙 AO 处理静态植被根部、建筑墙角的接触阴影
3. 室内场景（密室逃脱、恐怖游戏）：高强度 SSAO 增强角落的阴暗感

URP SSAO Renderer Feature

URP 内置了 SSAO，通过 Renderer Feature 方式添加：

添加步骤：

1. 选择 URP Asset 引用的 Renderer（通常是 UniversalRenderer）
2. Inspector → Add Renderer Feature → Screen Space Ambient Occlusion
3. 配置参数：

SSAO 关键配置参数：
- Method: SSAO（传统屏幕空间）或 HDAO（更精确，开销更大）
- Intensity: AO 强度（0~2，通常 0.5~1.0）
- Radius: 采样半径（世界空间单位，通常 0.1~0.5m）
- Falloff Distance: 超过此距离 AO 强度渐减（减少远处噪声）
- Source: Depth（仅深度）或 Depth Normals（深度+法线，精确但需要 DepthNormals Pass）
- Quality (Sample Count): Low/Medium/High（采样数：4/8/16次）
- Downsample: 开启后在半分辨率下计算（性能提升约 50%，质量略降）

URP SSAO 的渲染时机：
SSAO 在 AfterRenderingOpaques 之后计算，结果存储在 _ScreenSpaceOcclusionTexture，在后续的 ForwardLit Pass 中自动采样。

在 Shader 中读取 SSAO

// 使用 URP 内置函数读取 SSAO（自动处理特性开关）
// 在 Fragment Shader 中：

// 方式一：使用 AmbientOcclusionFactor 结构（推荐）
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"

// 在 Fragment Shader 中，InputData 初始化后调用：
AmbientOcclusionFactor aoFactor = CreateDistanceBasedAO(IN.positionWS, normalWS, normalizedScreenSpaceUV);
// aoFactor.indirectAmbientOcclusion: 间接光 AO（0=完全遮蔽, 1=完全开放）
// aoFactor.directAmbientOcclusion: 直接光 AO（通常不单独使用）

// 将 AO 应用到光照（混合器接口）
MixRealtimeAndBakedGI(mainLight, normalWS, bakedGI, aoFactor);

// 方式二：手动采样 SSAO 纹理（精细控制）
#if defined(_SCREEN_SPACE_OCCLUSION)
    // 仅当启用了 SSAO Feature 时有效
    float ssao = SampleAmbientOcclusion(normalizedScreenSpaceUV);
    // 使用方式：乘以间接光/环境光
    half3 ambient = SampleSH(normalWS) * albedo * ssao;
#else
    half3 ambient = SampleSH(normalWS) * albedo;
#endif

烘焙 AO：Lightmap UV 与正确工作流

烘焙 AO 存储在 Lightmap 中，依赖 Unity 的光照烘焙系统（Bake Mode = Baked 或 Mixed）。

Lightmap UV 设置：

模型 Inspector → Generate Lightmap UVs（开启）
或者：在 DCC 工具中手动制作第二套 UV（TEXCOORD1）

在 Shader 中读取烘焙 GI（包含烘焙 AO）：

// 顶点着色器中传递 Lightmap UV
OUTPUT_LIGHTMAP_UV(IN.uv2, unity_LightmapST, OUT.lightmapUV);
OUTPUT_SH(normalWS, OUT.vertexSH); // 球谐函数（无 Lightmap 时的低开销替代）

// 片元着色器中采样烘焙 GI
// SAMPLE_GI 宏根据是否有 Lightmap 自动选择采样方式
half3 bakedGI = SAMPLE_GI(IN.lightmapUV, IN.vertexSH, normalWS);
// bakedGI 包含烘焙的间接光照，其中已包含烘焙 AO 的影响

贴图 AO 的使用：

// 从材质 AO 贴图读取（通常存储在 RGB 贴图的 G 通道）
float bakedAO = SAMPLE_TEXTURE2D(_OcclusionMap, sampler_OcclusionMap, uv).g;
// 强度插值
float finalAO = lerp(1.0, bakedAO, _OcclusionStrength);
// 应用到环境光
half3 ambient = bakedGI * albedo * finalAO;

实时 AO vs 烘焙 AO：选择策略

场景类型	推荐方案	原因
移动端（低端硬件）	仅贴图 AO	无性能开销
移动端（中端+）	烘焙 AO	无实时开销，质量好
PC/主机静态场景	烘焙 AO + SSAO	静态精度高，动态物体有 SSAO
PC/主机动态场景	SSAO + 贴图 AO	动态物体需要实时 AO
室内密闭场景	烘焙 AO（高采样）	离线烘焙质量远超实时 SSAO
开放世界	SSAO（低质量）+ 烘焙 AO	视野范围大，SSAO 高质量开销过大

完整示例：URP 洞穴/室内场景材质 Shader

SSAO + 烘焙 AO 双层叠加，适合表现洞穴、地牢等阴暗密闭场景：

Shader "Custom/URP/CaveMaterial"
{
    Properties
    {
        _BaseColor      ("Base Color",    Color) = (0.5, 0.45, 0.4, 1)
        _BaseMap        ("Albedo Map",    2D)    = "white" {}
        _BumpMap        ("Normal Map",    2D)    = "bump" {}
        _BumpScale      ("Normal Scale",  Range(0,2)) = 1.0
        _OcclusionMap   ("AO Map (G Ch)",  2D)   = "white" {}
        _OcclusionStrength ("AO Strength", Range(0,1)) = 0.8
        // 额外 AO 增强（洞穴暗部）
        _AOBoost        ("AO Boost",      Range(1,3)) = 1.5
        _Metallic       ("Metallic",      Range(0,1)) = 0.0
        _Smoothness     ("Smoothness",    Range(0,1)) = 0.15
        // 苔藓/潮湿效果（洞穴材质特有）
        _WetnessMask    ("Wetness Mask (R)", 2D) = "black" {}
        _WetnessStrength ("Wetness Strength", Range(0,1)) = 0.5
        _WetnessSmooth  ("Wetness Smoothness",Range(0,1)) = 0.8
        _WetnessColor   ("Wetness Color", Color) = (0.2, 0.35, 0.15, 1)
    }

    SubShader
    {
        Tags
        {
            "RenderType" = "Opaque"
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline"
        }

        Pass
        {
            Name "CaveForward"
            Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #pragma multi_compile _ _MAIN_LIGHT_SHADOWS _MAIN_LIGHT_SHADOWS_CASCADE
            #pragma multi_compile _ _ADDITIONAL_LIGHTS
            #pragma multi_compile _ _SHADOWS_SOFT
            // SSAO 关键字（URP 自动注入，在此声明以便 Shader 处理）
            #pragma multi_compile_fragment _ _SCREEN_SPACE_OCCLUSION
            // Lightmap（烘焙 AO 需要）
            #pragma multi_compile _ LIGHTMAP_ON
            #pragma multi_compile _ DIRLIGHTMAP_COMBINED
            #pragma multi_compile_fog

            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/GlobalIllumination.hlsl"

            TEXTURE2D(_BaseMap);     SAMPLER(sampler_BaseMap);
            TEXTURE2D(_BumpMap);     SAMPLER(sampler_BumpMap);
            TEXTURE2D(_OcclusionMap);SAMPLER(sampler_OcclusionMap);
            TEXTURE2D(_WetnessMask); SAMPLER(sampler_WetnessMask);

            CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
                float4 _BaseMap_ST;
                float4 _BumpMap_ST;
                float4 _OcclusionMap_ST;
                float4 _WetnessMask_ST;
                float4 _BaseColor;
                float4 _WetnessColor;
                float  _BumpScale;
                float  _OcclusionStrength;
                float  _AOBoost;
                float  _Metallic;
                float  _Smoothness;
                float  _WetnessStrength;
                float  _WetnessSmooth;
            CBUFFER_END

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float3 normalOS   : NORMAL;
                float4 tangentOS  : TANGENT;
                float2 uv         : TEXCOORD0;
                float2 uv2        : TEXCOORD1;  // Lightmap UV
                UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionHCS  : SV_POSITION;
                float2 uv           : TEXCOORD0;
                DECLARE_LIGHTMAP_OR_SH(lightmapUV, vertexSH, 1); // 烘焙 GI
                float3 positionWS   : TEXCOORD2;
                float3 normalWS     : TEXCOORD3;
                float3 tangentWS    : TEXCOORD4;
                float3 bitangentWS  : TEXCOORD5;
                float4 shadowCoord  : TEXCOORD6;
                float  fogFactor    : TEXCOORD7;
                float4 screenPos    : TEXCOORD8;  // SSAO 采样需要屏幕坐标
                UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
            };

            Varyings vert(Attributes IN)
            {
                Varyings OUT;
                UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(IN);
                UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(OUT);

                VertexPositionInputs posInputs    = GetVertexPositionInputs(IN.positionOS.xyz);
                VertexNormalInputs   normalInputs = GetVertexNormalInputs(IN.normalOS, IN.tangentOS);

                OUT.positionHCS  = posInputs.positionCS;
                OUT.positionWS   = posInputs.positionWS;
                OUT.normalWS     = normalInputs.normalWS;
                OUT.tangentWS    = normalInputs.tangentWS;
                OUT.bitangentWS  = normalInputs.bitangentWS;
                OUT.uv           = TRANSFORM_TEX(IN.uv, _BaseMap);
                OUT.shadowCoord  = GetShadowCoord(posInputs);
                OUT.fogFactor    = ComputeFogFactor(posInputs.positionCS.z);
                OUT.screenPos    = ComputeScreenPos(posInputs.positionCS);

                // 烘焙 GI（包含 Lightmap UV 或 SH 球谐）
                OUTPUT_LIGHTMAP_UV(IN.uv2, unity_LightmapST, OUT.lightmapUV);
                OUTPUT_SH(normalInputs.normalWS, OUT.vertexSH);

                return OUT;
            }

            half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
            {
                float2 uv = IN.uv;

                // ===== 1. 基础贴图 =====
                half4 albedo = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, uv) * _BaseColor;

                // ===== 2. 法线 =====
                float4 normalPacked = SAMPLE_TEXTURE2D(_BumpMap, sampler_BumpMap, uv);
                float3 normalTS = UnpackNormalScale(normalPacked, _BumpScale);
                float3x3 TBN = float3x3(normalize(IN.tangentWS), normalize(IN.bitangentWS), normalize(IN.normalWS));
                float3 normalWS = normalize(TransformTangentToWorld(normalTS, TBN));

                // ===== 3. 潮湿效果（洞穴积水区域）=====
                float wetness = SAMPLE_TEXTURE2D(_WetnessMask, sampler_WetnessMask, uv).r * _WetnessStrength;
                // 潮湿使材质颜色向苔藓绿偏移，并增加光滑度（水膜效果）
                albedo.rgb = lerp(albedo.rgb, albedo.rgb * _WetnessColor.rgb, wetness * 0.5);
                float smoothness = lerp(_Smoothness, _WetnessSmooth, wetness);

                // ===== 4. 贴图 AO =====
                float texAO = SAMPLE_TEXTURE2D(_OcclusionMap, sampler_OcclusionMap, uv).g;
                float combinedAO = lerp(1.0, texAO, _OcclusionStrength);

                // ===== 5. SSAO（屏幕空间 AO）=====
                float2 screenUV = IN.screenPos.xy / IN.screenPos.w;
                #if defined(_SCREEN_SPACE_OCCLUSION)
                    // SampleAmbientOcclusion：采样 URP 生成的 SSAO 纹理
                    float ssao = SampleAmbientOcclusion(screenUV);
                    // 叠加两种 AO（相乘增强暗部，洞穴场景适用）
                    combinedAO = combinedAO * lerp(1.0, ssao, 0.7);
                #endif

                // AO 增强（洞穴的 AO 应该更强烈）
                combinedAO = pow(combinedAO, _AOBoost);

                // ===== 6. 烘焙 GI =====
                half3 bakedGI = SAMPLE_GI(IN.lightmapUV, IN.vertexSH, normalWS);
                // 对烘焙 GI 应用贴图 AO（纠正 Lightmap 精度不足的问题）
                bakedGI *= combinedAO;

                // ===== 7. PBR 光照计算 =====
                SurfaceData surfaceData;
                surfaceData.albedo          = albedo.rgb;
                surfaceData.alpha           = albedo.a;
                surfaceData.metallic        = _Metallic;
                surfaceData.smoothness      = smoothness;
                surfaceData.normalTS        = normalTS;
                surfaceData.occlusion       = combinedAO; // 传递叠加后的 AO
                surfaceData.emission        = 0;
                surfaceData.specular        = 0;
                surfaceData.clearCoatMask   = 0;
                surfaceData.clearCoatSmoothness = 0;

                InputData inputData;
                inputData.positionWS                = IN.positionWS;
                inputData.normalWS                  = normalWS;
                inputData.viewDirectionWS           = normalize(GetCameraPositionWS() - IN.positionWS);
                inputData.shadowCoord               = IN.shadowCoord;
                inputData.fogCoord                  = IN.fogFactor;
                inputData.vertexLighting            = 0;
                inputData.bakedGI                   = bakedGI;  // 使用 AO 调整后的 GI
                inputData.normalizedScreenSpaceUV   = screenUV;
                inputData.shadowMask                = SAMPLE_SHADOWMASK(IN.lightmapUV);

                // URP 标准 PBR（UniversalFragmentPBR 内部读取 _ScreenSpaceOcclusionTexture）
                half4 color = UniversalFragmentPBR(inputData, surfaceData);
                color.rgb = MixFog(color.rgb, IN.fogFactor);

                return color;
            }
            ENDHLSL
        }

        UsePass "Universal Render Pipeline/Lit/ShadowCaster"
        UsePass "Universal Render Pipeline/Lit/DepthOnly"
        UsePass "Universal Render Pipeline/Lit/DepthNormals"
    }
}

Bent Normal AO 与 GTAO 简介

Bent Normal AO：
普通 AO 只是一个标量（0~1），告诉我们遮蔽程度。Bent Normal 是一个方向向量，表示”法线半球中最少被遮蔽的平均方向”。用 Bent Normal 代替 Surface Normal 采样环境光贴图（IBL），可以获得更准确的间接光照遮蔽效果。

Unity Enlighten（旧版烘焙）可以烘焙 Bent Normal；HDRP 支持 Bent Normal AO，URP 目前不原生支持，需要自定义实现。

GTAO（Ground Truth Ambient Occlusion）：
URP 2022 LTS 开始提供 GTAO 作为 SSAO 的替代方案（通过 Screen Space Ambient Occlusion Renderer Feature 的 Method 选项）。GTAO 相比传统 SSAO：

• 更少的 halo 伪影（SSAO 在薄物体边缘常见的光晕）
• 更精确的能量守恒
• 对移动端更友好（虽然采样数相同，但噪声更少）

ShaderGraph 中的 AO

ShaderGraph 中访问 AO 的节点：

1. Ambient Occlusion 节点：自动读取 SSAO（如果启用）或返回 1
2. Sample Texture 2D → 接 Occlusion Map → Lerp(1, ao, strength) → 贴图 AO
3. 将上述结果乘以 Ambient 输出或接入 Occlusion 端口（在 PBR Master 节点）

移动端 AO 最佳实践

推荐方案（按性能排序）：

1. 仅贴图 AO（最快）：将美术制作的 AO 贴图存入材质的 G 通道，直接乘以间接光
2. 烘焙 AO（Lightmap）：预计算阶段消耗，运行时只是一次纹理采样
3. SSAO 低质量（4 次采样，半分辨率）：约 0.5-1ms，可在中端移动端使用
4. SSAO 中等质量（8 次采样，全分辨率）：约 1.5-2ms，仅 PC/主机推荐

移动端完全禁用 SSAO 时：
确保 Shader 中的 #pragma multi_compile_fragment _ _SCREEN_SPACE_OCCLUSION 声明正确，URP 会在 SSAO Feature 不存在时不定义 _SCREEN_SPACE_OCCLUSION，Shader 中的 SSAO 采样代码自动跳过（零开销）。

常见踩坑

1. SSAO 在 HDR 场景下过暗：SSAO 在线性空间计算，当场景有强烈 HDR 光照时，AO 叠加可能导致环境光区域过黑。调低 Intensity 并配合 Falloff Distance 限制 SSAO 影响范围。

2. 烘焙 AO 在动态物体上无效：Lightmap AO 只对静态物体有效（需要勾选 Static 标志）。动态角色/物件需要用 SSAO 或贴图 AO。

3. DepthNormals Pass 缺失导致 SSAO 质量下降：URP SSAO 的 Source 设置为 Depth Normals 时，需要 DepthNormals Pass。如果自定义 Shader 没有 DepthNormals Pass，该物体的 SSAO 法线数据缺失，会产生 halo 伪影。UsePass "Universal Render Pipeline/Lit/DepthNormals" 是最简单的解决方案。

4. Lightmap UV 缝隙处出现 AO 泄漏：Lightmap UV 的相邻 UV 岛之间需要足够的间距（建议 ≥ 2 Lightmap 像素），否则烘焙时光照/遮蔽信息会从一个 UV 岛泄漏到另一个。在 Unity Lightmap Settings 中增加 Lightmap Padding。

5. SampleAmbientOcclusion 在编辑器 Scene View 中始终返回 1：SSAO 在 Scene View 中默认不激活（只在 Game View 中工作）。如果想在 Scene View 中也看到 SSAO，在 Scene View 的 Camera 组件上确认启用了后处理（Post Processing 勾选）。

系列总结

经过这十篇文章，我们已经建立了完整的 Unity URP Shader 知识体系：

1. 2D SDF UI Shader → 圆角矩形、血条、技能 CD 遮罩
2. 程序化噪声 → FBM 火焰特效、域扭曲、程序化材质
3. 矩阵变换体系 → 坐标空间链、顶点动画草地
4. 纹理采样 → TEXTURE2D/SAMPLER、水面双层法线
5. 颜色管理 → Linear/Gamma 工作流、后处理赛博朋克效果
6. 3D SDF 应用 → URP 体积雾、软粒子深度融合
7. 法线体系 → TBN 矩阵、UnpackNormal、陡峭视差贴图
8. URP 光照系统 → BRDFData、卡通渲染、各向异性布料
9. URP 阴影 → CSM、PCF 软阴影、植被顶点动画 + 正确阴影
10. URP AO → SSAO Renderer Feature、烘焙 AO、洞穴双层 AO 材质

这十个技术模块覆盖了 Unity 游戏开发中 Shader 编程的核心领域。从 UI 特效到 3D 材质，从程序化特效到物理正确的 PBR 光照，每个模块都包含可直接运行于 Unity 项目的完整 Shader 代码。接下来可以深入研究 URP 的更多进阶特性：自定义渲染流程（Scriptable Render Pass）、GPU Skinning、计算着色器（Compute Shader）等。