在3D计算机图形中，体积光照（Volumetric Lighting）是一种极具表现力的视觉技术。它常被艺术家与开发者称为“神光”（God Rays）、“光束”或“光柱”，其核心在于模拟光线穿过具有参与介质的三维空间时的散射效果，这些介质通常包括雾气、烟尘或浮尘。无论是静态渲染图，还是实时渲染应用（如游戏与虚拟现实），体积光照都在增强场景的深度感与沉浸感中起着至关重要的作用。
要实现逼真的体积光照效果，不仅需要良好的光照设计，还要配合着色器编程、性能控制及渲染引擎本身的渲染流程。
如何高效实现体积光照
实现体积光照的第一步，是正确理解光源、摄像机与雾体之间的相互关系。尽管不同软件实现方式不尽相同，但基本原理是一致的：通过在一个三维体素（Voxel）中计算光与雾（或粒子）之间的散射和吸收过程，从而渲染出具有厚度感的光束。
设置光源与雾体区域
通常使用聚光灯（Spot Light）或点光源（Point Light）作为体积光照的光源，将其对准一个包含雾或尘埃的体积区域。该雾体需要定义几个关键属性：密度（Density）、散射系数（Scattering Coefficient）和各向异性（Anisotropy）。以 Blender 为例，可在一个立方体内部使用 Volume Scatter 节点，并在其中放置一个强度较高的聚光灯，以形成明显的体积光效果。
调整各向异性与雾密度
各向异性（Anisotropy）决定了光的散射方向。值为0时代表各方向均匀散射；趋向1时，光主要向前传播，适合形成锐利的光束；而趋向-1时，光向后散射。密度值越高，雾越浓，光的传播路径越短，从而产生更短更强的光柱，反之则更淡。
使用阴影贴图（Shadow Maps）
在实时渲染如游戏中，体积光照效果依赖于体积中的阴影信息。通过阴影贴图，可以在雾中投射真实阴影，增强光束的立体感。在离线渲染中，光线追踪会自然处理这些交互。而在 Unity、Unreal 等实时引擎中，通常使用 froxel（Fragmented voxel）技术结合阴影贴图，实现性能与效果的平衡。
后期处理强化光束
大多数引擎通过后期处理（Post-Processing）来增强体积光，例如“光晕”或“神光”效果。Unity 的 HDRP 和 URP 管线都提供了雾效与体积光的后期处理模块，能够与场景中的其它光照系统无缝融合，提升整体真实感。
高性能的体积光：在生产环境中的优化
尽管基于光线追踪的体积光照真实度极高，但对性能的消耗也十分严重，特别是在高分辨率动画或实时应用中。因此，合理的性能优化尤为关键。
使用 Gobo 灯增强光束变化
Gobo 是带有图案遮罩的光源，可模拟树叶筛光或窗棂斑驳的阳光等复杂光束效果，减少对真实散射计算的依赖，提升视觉表现。
缓存光照通道以提高效率
在动画制作中，可将体积光作为单独的渲染通道进行缓存并重复使用，既避免了每帧都重新计算雾中光照，又能减少画面跳动与重影问题。一些渲染器支持预计算体素或阴影体积技术，实现更加稳定的体积光渲染。
分析型体积光照 vs. 实时近似体积光照
体积光照可以通过分析算法或实时近似手段来实现，两者各有优劣。
分析型体积光照
这种方式使用简化的数学模型（如 Beer-Lambert 定律）来估算光在雾体中的衰减与散射。虽然并不模拟每一束光子，但通过计算光锥与体积属性的交互，能快速得出较为真实的结果，适用于静态图像或性能受限的应用。
实时体积光照
在 Unity、Unreal 等实时引擎中，体积光照通常使用优化的体素表示（如 froxel 网格）以及基于深度的散射技术。Unity HDRP 通过将场景切分为3D瓦片，在每帧内高效合并多个动态光源，确保质量与性能的双重兼顾。
而 URP 提供了轻量级的实现，适用于移动端或中低端平台，但功能上较为简化。
在 Unity 中启用体积光照通常需要在多个地方设置：
- 项目设置中启用 HDRP 与摄像机后处理；
- 摄像机帧设置中开启 Volumetrics 与 Shadows；
- 场景中使用体积覆盖区（Volume Override）开启雾效；
- 光源设为 Spot Light 或 Point Light，提升光照强度并启用 Volumetrics。
在像 Roblox 这类更强调资源控制的引擎中，体积光效果需根据平台负载调整，通常通过“雾网格”或深度控制的屏幕空间效果来模拟，以免影响帧率。
不同渲染管线中的体积光实现技巧
无论是在游戏引擎、定制渲染器，还是实时可视化工具中，体积光照的实现思路大致一致。主要步骤包括：
- 使用 Shader、粒子系统或体积缓存定义雾体；
- 将 Spot、Point 或方向光对准雾区；
- 结合屏幕空间后期处理模拟光束；
- 通过投影纹理或 Light Cookie 打破光束均匀性；
- 使用 Additive 粒子系统与 Alpha 贴图快速模拟轻雾效果。
体积光照不仅是一种技术，更是一种叙事手段。在影视中，它指引观众注意力；在游戏中，它营造氛围、引导玩家、提示危险；在建筑或产品可视化中，它让空间更具真实感和情绪感。下次当你渲染出图却总觉得缺点什么，不妨试着加一束穿透尘雾的光，也许那就是点亮整个画面的关键。
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