# 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 * ![image-20220426213931304](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292001546.png) * 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 ![image-20220426214615701](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292001805.png) * 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 ![image-20220426215321576](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292001403.png) * 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** ![image-20220426220351731](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292001762.png) 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 ![image-20220426221350523](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002548.png) ![image-20220426221512303](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002236.png) * 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 ![image-20220426224113535](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002131.png) 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 ![image-20220426224501295](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002084.png) 基于 volumetric 的表达，在未来有希望做出纯动态地型 ## Terrain Materials ![image-20220426231148570](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002238.png) 材质混合 #### Simple Texture Splatting 简单的 Alpha 混合，并不自然 ![image-20220426231437730](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002547.png) #### Advanced Texture Splatting 叠加高度后的混合 ![image-20220426231351002](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002809.png) 叠加 Bias，一点小 Hack ### Sampling from Material Texture Array ![image-20220426231649827](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002548.png) * 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 ![image-20220426232055558](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002662.png) * 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 ![image-20220426234404170](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002368.png) 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 ![image-20220427000307667](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002607.png) Speed Tree ，植被渲染中间件 ### Decorator Rendering ![image-20220427000426246](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002885.png) ### Road and Decals Rendering ![image-20220427000733087](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292002263.png) 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 ![image-20220427225019614](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003685.png) 使用经验公式去拟合大气散射现象 ### Participating Media ![image-20220427225255363](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003043.png) ### How Light Interacts with Participating Media 大气散射通过一个介质分为四个阶段 ![image-20220427231309822](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003110.png) ### Volume Rendering Equation ![image-20220427231524677](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003121.png) * 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 * ![image-20220427232300675](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003444.png) #### 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 ![image-20220427232916397](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003633.png) ### Variant Air Molecules Absorption 大气的吸收效应 * 臭氧 * 甲烷 ### Single Scattering vs Multi Scattering ![image-20220427233253363](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003132.png) ### Ray Marching 沿着视线的方向，对太阳光的积分 ![image-20220427233606867](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003458.png) ### Precomputed Atmospheric Scattering ![image-20220429154220247](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003281.png) ![image-20220506101713410](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003423.png) #### 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 ![image-20220506104023361](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003328.png) ### 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 * ![image-20220506104451054](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003073.png) * Cloud Density Model * ![image-20220506104738431](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003134.png) * Rendering Cloud by Ray Marching * ![image-20220506104925464](https://image-1253155090.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/202508292003900.png)