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1. 项目缘起与整体设计思路

1.1 为什么选择体绘制来做大气散射

做Unity场景渲染的朋友大概率都遇到过这样一个尴尬：用传统的天空盒或者后处理方式做出来的大气效果，在地面平视时看着还行，一旦镜头拉高、俯视地平线，或者飞行穿过云层，整个大气层就像一张贴纸一样穿帮了。原因很简单——传统方案把大气当成一个二维的“壳”来处理，而真实的大气是一个有厚度的、参与光线传播的体积介质。

这个案例的核心思路，就是把大气当作一个真正的三维体积来做渲染，也就是体绘制（Volumetric Rendering）。具体来说，我们不再去渲染一个天空球，而是在摄像机前方放置一个代理几何体（通常是包围整个场景的立方体或者球体），然后在片元着色器里，沿着视线方向对这段体积进行光线步进（Raymarching），在每一步采样大气密度、计算散射贡献，最后累积成最终颜色。

为什么这么做值得？因为体绘制天然支持几个传统方案很难做到的事情：视线穿过大气层的路径长度会随视角自然变化，地平线附近的大气厚度会自然累积出更浓的散射，太阳角度变化时整个天空的色调过渡是物理自洽的。换句话说，你不需要为“日出”“正午”“黄昏”分别调三套参数，只要把太阳方向丢进去，剩下的交给物理模型就行。

1.2 整体架构拆解

整个方案我把它拆成四层，从底往上依次是：

• 物理模型层：Rayleigh散射和Mie散射的解析式，负责描述“光在大气里怎么被散射”。
• 数值积分层：光线步进循环，负责把连续的积分方程离散化成可计算的求和。
• 着色器实现层：HLSL代码，负责把前两层翻译成GPU能跑的指令。
• Unity集成层：材质、代理网格、相机脚本、参数暴露，负责让美术和策划能调。

这四层里，物理模型层决定了效果的上限，数值积分层决定了性能的下限，而着色器实现层是最容易踩坑的地方——很多教程只给你一段能跑的代码，但不告诉你为什么步进次数取16而不是32，为什么相位函数里那个g参数不能随便调。这个案例我会把这些“为什么”都补上。

1.3 适用场景与前置知识

这套方案适合以下几类需求：开放世界游戏的大气天空、飞行模拟的高空视角、科幻场景的行星大气、以及任何需要“镜头能自由升降”的项目。如果你只是做一个固定视角的室内场景，那用传统天空盒就够了，上体绘制属于杀鸡用牛刀。

前置知识方面，你需要对Unity的ShaderLab语法有基本了解，知道顶点着色器和片元着色器分别在干什么，最好还写过一两个后处理shader。数学上，向量点乘、归一化、指数函数这些是必须的，至于积分——你不需要会手推，但需要理解“把一段路径切成很多小段，每段算一点贡献再累加”这个直觉。我见过不少朋友卡在体绘制上，不是卡在代码，而是卡在“为什么要步进”这个思维转换上。

提示：如果你完全没接触过Raymarching，建议先找一个最基础的“球体Raymarching”教程练手，理解“从相机出发沿射线一步步前进”这个模式，再回来看大气散射会顺畅很多。

2. 核心物理原理与参数解析

2.1 Rayleigh散射与Mie散射的分工

大气散射里有两个主角：Rayleigh散射和Mie散射。它们的分工可以用一句话概括——Rayleigh负责“天空为什么是蓝的”，Mie负责“太阳周围为什么有一圈光晕”。

Rayleigh散射由空气分子引起，散射强度与波长的四次方成反比。这就是为什么蓝光（波长短）被散射得比红光（波长长）厉害得多，天空呈现蓝色，而日落时阳光穿过更厚的大气，蓝光被散射殆尽，剩下红光直达眼睛。在代码里，Rayleigh散射系数通常写成三个分量，对应RGB三个通道，蓝通道的系数最大。

Mie散射由气溶胶（尘埃、水汽、污染物）引起，散射强度与波长关系不大，所以它散射出来的光是偏白的。Mie散射还有一个关键特性——前向散射，也就是光更容易沿着原来的方向继续传播，这就是太阳周围那圈光晕的成因。这个特性由相位函数里的各向异性参数g控制。

2.2 散射系数的取值逻辑

很多人直接抄网上的散射系数，结果发现效果要么太浓要么太淡，这是因为那些系数是针对特定尺度（比如以千米为单位的大气厚度）标定的。你在Unity里用的时候，如果代理几何体的尺寸和真实大气尺度不一致，系数就必须相应缩放。

我的做法是：先把代理几何体设定为一个已知半径的球（比如半径设为1个单位代表地球半径的某个比例），然后根据这个比例反推散射系数。Rayleigh散射系数在海平面附近大约是 (5.8, 13.5, 33.1) × 10⁻⁶ 每米，这个数量级直接搬到shader里会小到看不见，所以通常要乘一个放大因子。这个放大因子不是随便定的，它等于“你的场景单位 / 真实米数”的比值。

注意：散射系数和密度是两回事。系数描述“单位密度下每米散射多少”，密度描述“这一点的介质有多浓”。两者相乘才是实际的散射率。很多新手把这两个概念混在一起调，越调越乱。

2.3 相位函数的物理意义

相位函数描述的是“光被散射后，往某个方向偏转的概率”。Rayleigh的相位函数很简单，近似各向同性，公式是3/(16π) * (1 + cos²θ)，其中θ是散射角。Mie的相位函数用Henyey-Greenstein近似，公式是：

(1 - g²) / (4π * (1 + g² - 2g*cosθ)^1.5)

这里的g就是各向异性参数，取值范围-1到1。g=0表示各向同性，g>0表示前向散射，g<0表示后向散射。对于地球大气，Mie的g通常取0.76到0.8之间。这个值调大了，太阳光晕会变得又亮又集中；调小了，光晕会散开变淡。

我实测下来，g取0.76是个比较稳的起点，配合Mie散射系数取一个较小的值，能做出比较自然的太阳光晕。如果你想要更“电影感”的强光晕，可以往0.85靠，但要注意别让整个天空被光晕糊住。

2.4 光学深度与透射率

光线从A点走到B点，会被介质吸收和散射掉一部分能量，剩下的比例叫透射率（Transmittance），它等于exp(-光学深度)。光学深度就是“散射系数 × 密度 × 距离”沿路径的积分。

这个指数关系非常关键，它意味着透射率永远在0到1之间，距离越长衰减越接近0但不会变成负数。在shader里，我们每步进一次就累加一次光学深度，最后用exp函数算出透射率。这里有个性能技巧：如果某段路径的光学深度已经很大（比如超过10），透射率基本就是0了，可以提前终止步进，省下后面的计算。

3. 着色器实现与关键代码拆解

3.1 代理几何体与射线起点

第一步是确定射线从哪里出发、往哪里走。在Unity里，最省事的做法是挂一个Cube或者Sphere作为代理，材质用我们的散射shader，然后关闭背面剔除或者用Cull Front。这样相机在代理内部时，片元着色器依然会被调用。

在片元着色器里，我们需要拿到两个点：射线起点（相机位置）和射线终点（代理几何体表面）。起点可以直接用_WorldSpaceCameraPos，终点可以用i.worldPos（顶点着色器传过来的世界坐标）。射线方向就是normalize(worldPos - cameraPos)。

但这里有个坑：如果相机在代理外部，射线起点应该在代理表面而不是相机位置。所以稳妥的做法是做一个射线-球体求交，把起点和终点都限制在代理球内部。我一般会写一个RaySphereIntersect函数，返回两个交点，取近交点作为起点、远交点作为终点。

// 射线与球体求交，返回近远两个交点距离 float2 RaySphereIntersect(float3 rayOrigin, float3 rayDir, float3 sphereCenter, float sphereRadius) { float3 oc = rayOrigin - sphereCenter; float b = dot(oc, rayDir); float c = dot(oc, oc) - sphereRadius * sphereRadius; float d = b * b - c; if (d < 0) return float2(-1, -1); d = sqrt(d); return float2(-b - d, -b + d); }

3.2 光线步进循环的写法

拿到起点和终点后，就可以做步进了。核心循环长这样：

float3 totalRayleigh = 0; float3 totalMie = 0; float opticalDepthR = 0; float opticalDepthM = 0; float stepSize = (endDist - startDist) / numSteps; float3 currentPos = rayOrigin + rayDir * startDist; for (int i = 0; i < numSteps; i++) { float3 samplePoint = currentPos + rayDir * stepSize * 0.5; float height = length(samplePoint - planetCenter) - planetRadius; float densityR = exp(-height / scaleHeightR); float densityM = exp(-height / scaleHeightM); opticalDepthR += densityR * stepSize; opticalDepthM += densityM * stepSize; // 计算这一步的散射贡献... currentPos += rayDir * stepSize; }

这里有几个细节值得说。第一，采样点取的是每段的中点（stepSize * 0.5），这是中点积分法，比取起点或终点精度高。第二，密度用指数衰减exp(-height / scaleHeight)，scaleHeight是标高，Rayleigh的标高约8km，Mie约1.2km，这意味着Mie散射主要集中在低空，Rayleigh能延伸到更高处。

3.3 太阳方向的光学深度

上面算的是“相机到采样点”的光学深度，但散射计算还需要“采样点到太阳”的光学深度，用来算太阳光在到达采样点之前被衰减了多少。这一步需要再套一个内层循环，从采样点向太阳方向步进。

float opticalDepthLightR = 0; float opticalDepthLightM = 0; float3 lightDir = normalize(sunDirection); float3 lightPos = samplePoint; for (int j = 0; j < numLightSteps; j++) { float3 lightSample = lightPos + lightDir * lightStepSize * 0.5; float lightHeight = length(lightSample - planetCenter) - planetRadius; if (lightHeight < 0) break; // 被行星挡住 opticalDepthLightR += exp(-lightHeight / scaleHeightR) * lightStepSize; opticalDepthLightM += exp(-lightHeight / scaleHeightM) * lightStepSize; lightPos += lightDir * lightStepSize; }

这个内层循环是性能大户。如果外层16步、内层8步，那就是128次采样。我的经验是外层16、内层8在桌面端够用，移动端要降到外层8、内层4，并且把内层循环的步长设大一点。

3.4 散射贡献的累积

有了两个光学深度，就可以算每一步的散射贡献了：

float3 tau = rayleighCoeff * (opticalDepthR + opticalDepthLightR) + mieCoeff * 1.1 * (opticalDepthM + opticalDepthLightM); float3 attenuation = exp(-tau); float3 rayleighContribution = densityR * rayleighCoeff * rayleighPhase * attenuation; float3 mieContribution = densityM * mieCoeff * miePhase * attenuation; totalRayleigh += rayleighContribution * stepSize; totalMie += mieContribution * stepSize;

最后把两部分加起来，乘以太阳强度，再乘上透射率，就是最终颜色。这里那个1.1是Mie散射的吸收修正系数，因为Mie散射同时包含散射和吸收，实际消光比纯散射略大。

3.5 参数暴露与美术调优

代码写完后，要把关键参数暴露到材质面板上，方便美术调。我一般暴露这几个：

• _SunDirection：太阳方向，用Vector类型。
• _SunIntensity：太阳强度，控制整体亮度。
• _RayleighCoeff：Rayleigh散射系数，Color类型。
• _MieCoeff：Mie散射系数，Float类型。
• _MieG：各向异性参数，Range(0, 1)。
• _ScaleHeightR/_ScaleHeightM：两个标高。
• _NumSteps/_NumLightSteps：步进次数，Range类型。

实操心得：调参时先固定太阳方向为正上方，调Rayleigh系数让天空呈现合适的蓝色，再调Mie系数和g让太阳光晕自然，最后调太阳强度匹配场景整体曝光。顺序反了会互相干扰，越调越乱。

4. 常见问题与排查实录

4.1 效果发灰、发白没有层次

这是最常见的问题，八成是透射率算错了或者散射系数太小。先检查exp函数的参数是不是负数——如果光学深度算出来是正的，exp(-tau)才是正确的衰减。如果系数太小，散射贡献会淹没在背景里，看起来就是一片灰。

另一个可能是步进次数太少，导致积分精度不够，颜色被平均掉了。把步进次数从8提到16试试，如果明显改善，那就是精度问题。

4.2 地平线附近出现明显色带

色带（banding）是步进离散化的典型症状，因为每一步之间的密度变化没有被平滑处理。解决办法有两个：一是增加步进次数，二是给采样点加一点抖动（dithering），用噪声偏移每一步的采样位置，把色带打散成噪点，再配合TAA或者模糊就能消除。

float dither = frac(sin(dot(screenPos, float2(12.9898, 78.233))) * 43758.5453); float3 samplePoint = currentPos + rayDir * stepSize * (0.5 + dither * 0.5);

4.3 太阳光晕过曝或者消失

光晕问题基本都出在相位函数上。如果g设得太大（比如0.95），前向散射会极度集中，光晕变成一个刺眼的亮点；如果g设成0，光晕完全消失。建议从0.76开始，每次调0.05，观察变化。另外，Mie散射系数和g是耦合的，g调大时Mie系数要相应调小，否则光晕会糊成一片。

4.4 性能突然掉帧

体绘制的性能瓶颈几乎永远在内层循环。排查步骤：先把内层步进次数降到1，看帧率是否恢复，如果是，那就是内层循环的问题。优化手段包括：降低内层步数、增大内层步长、在光学深度超过阈值时提前break、以及把整个散射计算放到半分辨率RT上再做上采样。

4.5 相机进入大气层后效果异常

如果相机高度低于大气层底部，射线起点就在介质内部，这时候射线求交要特殊处理——近交点应该取0而不是负数。另外，如果相机穿到行星内部，整个计算应该直接返回黑色或者地面颜色。我一般会在shader开头加一个高度判断，低于地面高度就直接输出背景色。

5. 进阶优化与扩展方向

5.1 预计算透射率查找表

内层循环是性能大头，但它算的其实是“从某点向太阳方向的光学深度”，这个值只和采样点高度与太阳天顶角有关，和相机无关。所以可以预计算一张二维查找表（LUT），横轴是天顶角余弦，纵轴是高度，运行时直接采样，省掉整个内层循环。这一招能把性能提升好几倍，代价是需要一张额外的纹理和一次预计算Pass。

5.2 与体积云、雾的融合

大气散射算出来的透射率，其实可以直接用来给体积云和高度雾做光照衰减。云在采样时，把大气透射率乘上去，云的颜色就会随太阳角度自然变化，日出时云底泛红、正午时云顶发白，这些都能自动出来。这个融合是免费的，因为透射率本来就算好了。

5.3 多散射近似

单次散射模型在太阳接近地平线时会偏暗，因为真实大气里光会经过多次散射才到达眼睛。完整的多散射计算量太大，但可以用一个经验近似：在单次散射结果上叠加一个与太阳高度相关的环境项，模拟多次散射的补光。这个近似不物理，但视觉上很有效，尤其是做黄昏场景时。

5.4 移动端适配要点

移动端做体绘制要非常克制。我的建议是：外层步进不超过8，内层用LUT替代，分辨率降到半分辨率甚至四分之一，并且只在相机高度超过一定阈值时才启用体绘制，低空时切回传统天空盒。这样既保证了高空视角的效果，又不会让地面场景白白消耗性能。

提示：半分辨率渲染时，边缘会有锯齿，记得配合一个边缘感知的上采样，或者干脆用全屏模糊把边缘糊掉，反正大气本身也是低频信号，糊一点看不出来。

6. 我在实际项目中的几点体会

这套体绘制大气我前后在三个项目里用过，踩的坑不算少。最大的体会是：不要一上来就追求物理正确。物理公式是骨架，但最终效果要靠美术调。我见过有人死磕散射系数的真实值，结果画面又暗又灰，因为真实大气的散射在游戏曝光下本来就不够“好看”。正确的做法是先用物理公式搭出结构，然后大胆地调系数、调强度，让画面服务于项目的美术风格。

另一个体会是性能预算要提前定。体绘制的开销和步进次数是线性关系，而步进次数直接决定画质。我的经验是：桌面端给到外层16内层8，主机端外层12内层6，移动端外层8内层用LUT。这个预算在项目初期就要和主程对齐，不然后期优化会非常痛苦。

最后分享一个小技巧：调试时把每一步的散射贡献单独输出成颜色，比如Rayleigh贡献输出到红通道、Mie贡献输出到绿通道，这样一眼就能看出是哪部分出了问题。这个调试视图我到现在还留着，每次效果不对先切过去看一眼，比盲调快得多。