第六节：游戏中大气和云的渲染

地形概述

Environment Components in Games

• Sky and Cloud

• Vegetation

• Terrain

Terrain Rendering

地形的几何

Heightfield 高度图，地形渲染的主力

• Height Map

• Contour Map

• Expressive Heightfield Terrains

使用 Mesh Grid 生成网格

• Lod 近处密，远处稀疏

• Adaptive Mesh Tessellation 网格细分

• 

• 当 FOV 越来越窄的时候，地面在屏幕上显示的会越来越大，所以网格远处的精度需要相应的增大。

• Two Golden Rules of Optimizatioin

• View-dependent error bounds

  • Distance to camera and fov

  • Error compare to ground truth

Triangle-Based Subdivision 三角形抛分算法

• 正方形网格用四个等腰直角三角形组成

• 永远切分等腰直角三角形最长一边

T-Junction

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• 相邻三角形需要切分的同样密，来防止裂边

summary

• 使用无 T 分裂的等腰直角三角形组合成地形

• 但是实际上游戏上用的不多

• 效率、绘制都没有问题

• 但是作为地形数据和保存，地形数据的序列化需要使用另外一种格式，反序列化后的渲染可以用这种格式

QuadTree-Based Subdivision 基于四叉树的地形表达

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• 最大范围有个上线，不会完全归一，比如 512 * 512 米

• 用磁盘上的一块区域，比如一张纹理来表达

• 这个地形数据组织是场景地形和资源管理的总和，可以搭配上上方三角形网格生成方案来渲染

Solving T-Junctions among Quad Grids

Stitching

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四叉树管理的地形数据反序列化成为不同密度的三角形。为了保持连续，可以使用 Stitching 方法，退化密度高的三角形，出现面积为 0 的三角形。来粘合不同密度的地块解决 T-junction 问题。

Triangulated Irregular Network (TIN)

• 直接从高度图生成三角形后，通过三角形简化生成三角形数量很少的地形

• 根据游戏内容的不同，需要使用不同的算法

GPU-Based Tessellation

• 借助 GPU 来程序化生成 LOD 地形

• 即渐变的网格密度变化

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• Mesh Shader Pipeline DX12 以上

Real-Time Deformable Terrain

• 实时的可变形的地形

• 可以做出泥土，雪地的凹陷

• 地型变化的效果，物理碰撞的更新更难做

Non-Heightfield Terrain

• 不基于高度图的地型

• 比如悬崖，洞穴，一般使用放置物体在上面，不属于地形一部分，属于场景一部分

• 可以去掉地型上三角形的顶点，让 GPU 不渲染周围三角形，用物体填充来弥补

Volumetric Representation

基于体素的表示

Marching Cube

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空间上划分体素，每一个体素里大概总共可能会有 15 种不同的近似平面，每个体素用一个字节的数据记录近似平面的表示的编号。

Transition Cell Lookup Table

Transvoxel Algorithm, voxel 也可以做 LOD

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基于 volumetric 的表达，在未来有希望做出纯动态地型

Terrain Materials

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材质混合

Simple Texture Splatting

简单的 Alpha 混合，并不自然

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Advanced Texture Splatting

叠加高度后的混合

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叠加 Bias，一点小 Hack

Sampling from Material Texture Array

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• 和 3D Texture 不一样，3D Texture 的采样需要三线性插值的采样。

• Texture Array 每层之间没关系，是 Texture Index + 双线性插值采样

• 使用 IndexMap + TextureArray 采样地面纹理

Parallax and Displacement Mapping

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• Color Mapping : Albedo 着色

• Bump Mapping 法线纹理影响光照模型

• Parallax Mapping 视差贴图 ：使用 Ray Martching 的方式着色表面，出现遮挡

• Displacement Mapping 曲面细分 ：完全和细化网格是一致的

Expensive Material Blending

昂贵的材质混合

• Many Texturing ，每个像素大量的 Texture Array 纹理采样和线性插值

• Huge Splat map ，加载了很大张的纹理，但是大部分的像素是用不到的

Virtual Texture

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最主流的地型绘制方案

VT Implementation, DirectStorage & DMA

• CPU，内存，显卡，硬盘之间的数据交互

• 现在一般是 CPU 调度内存和显存

• 次世代的 DMA 可以支持硬盘和显存

Floating-point Precision Error

浮点数在大数字时，小数部分变短，精度变低

• Camera-Relative Rendering ,基于摄像机空间的渲染运算，标准做法

• SubLevel，基于子场景空间坐标系的渲染运算

植被道路贴花

Tree Rendering

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Speed Tree ，植被渲染中间件

Decorator Rendering

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Road and Decals Rendering

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场景中的细节可以预烘培进入 Virtual Texture

Procedure Terrain Creation

Atmosphere 大气散射

Analytic Atmosphere Appearance Modeling

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使用经验公式去拟合大气散射现象

Participating Media

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How Light Interacts with Participating Media

大气散射通过一个介质分为四个阶段

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Volume Rendering Equation

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• Transmittance ：光线被介质的衰减

• Increase factor ：光线进入眼睛的能量

Real Physics in Atmosphere

1. 太阳光是由不同波长即不同颜色的光线组合而成的白色

Scattering Types

Rayleigh Scattering 瑞丽散射

• 介质直径小，光线波长越短散射越厉害

• 蓝紫光波长短

• 拟合方程

• Rayleigh Scattering Equation

• 

Mie scattering 米式散射

• 散射对光的波长不敏感

• 雾 Fog，光晕 Halo of Sun

• Mie Scattering Equation

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Variant Air Molecules Absorption

大气的吸收效应

• 臭氧

• 甲烷

Single Scattering vs Multi Scattering

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Ray Marching

沿着视线的方向，对太阳光的积分

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Precomputed Atmospheric Scattering

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Challenges of Precomputed Atmospheric Scattering

• Precomputation Cost

• Authoring and Dynamic Adjustment of Environments

• Runtime Rendering Cost

Production Friendly Quick Sky and Atmosphere Rendering

• Simplify Multi-scattering Assumption

• 假设对于空间上某个点四面八方的入射光是均匀的

• Fixed view position and sum position to remove 2 dimensions out of LUT

• Generated a 3D LUT to evaluate aerial-perspective effects by ray marching

云的渲染

Cloud Type

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Present Cloud

• Mesh-Based Cloud Modeling

• Billboard Cloud

• Volumetric Cloud Modeling

  • Weather Texture 存云的厚度

  • Noise Functions

  • Perlin Noise 棉花丝感觉

  • Worley Noise 泡泡感觉

  • 

  • Cloud Density Model

    • 

  • Rendering Cloud by Ray Marching

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