现代游戏引擎 - 游戏中地形大气和云的渲染（六）

九月 14, 2022 6083

概括

前面章节我们了解了如何处理光线与物体的关系，这就有了渲染的基础。真实世界中地形是十分重要的部分，
尤其是在现代大世界的场景中，可以看到各种美轮美奂的地形效果，我们通常把地形称为Terrain。
荒野大镖客：救赎

地形的制作面临以下挑战：

游戏地形的尺寸可能十分广阔，如何在有限的硬件中来表现？
地形中存在大量各式各样的物件：山川、河流、植被、道路……，艺术家要如何处理？
游戏中需要与地形实时交互：比如雪地中行走留下痕迹、爆炸在地面留下坑洞。

地形的几何

本质来说地形与一般的物体没有树木不同，我们完全可以用简单的Mesh显示完整的地形效果。
但这样处理的方式，高精度地形对于目前硬件来说是难以承受的。之前章节处理阴影时，
有一个重要的思想：对于距离Camera近的区域，需要的分辨率较高，反之则分辨率需求降低。（LOD）

高沉图（Heightfield）

Heightfield是地形的俯视图，记录了地形的高度数据。原始的地形Mesh可以是精度较低的网格，
在运行时根据Camera位置动态细分网格数据，这样就可以极大减少性能压力。
Heightfield

HeightMap有明显的局限性。它是一张二维的俯视图，也就是说只能处理没有重叠的地形。
比如山的内部有一个巨大的洞窟，虽然有一些方式可以处理，但总体来说是不方便的。

网格细分原则

Camera Distance：距离摄像机约近，网格约密

Adaptive Mesh Tessellation：分块设置地形精度

在说三角形细分前，我们需要先了解FOV与视野精度的关系。FOV代表摄像机的夹角，由于Camera的分辨率是确定的，
因此FOV较大时，视野开阔，画面的很多细节会变得模糊；FOV较小时，视野缩小，场景精度变高。
Adaptive Mesh Tessellation

根据Fov(视角)和距离设置
因为采样点变少，所以地形的高度可能会有误差，这个误差体现到屏幕上，最好不超过一个像素。

当我们实现View-dependent Terrain时（网格颜色变化在一定范围内，通常为1个像素）就需要基于以上两个原则。

网格细分算法

细分网格算法需要关注两个点：什么情况下进行细分？如何细分？

基于三角形的细分（Triangle-Based Subdivision）

将一个等腰三角形最长边与对应顶点切分得到两个等腰三角形。
Triangle-Based Subdivision

相邻边一侧被切分，另一侧未切分时，未切分三角形进行同样的处理，避免相邻三角形出现高度差，从而漏出天空。
细分方法：从细分三角形的直角边将三角形对半分开。
Subdivision and T-Junctions

基于四叉树（QuadTree-Based Subdivision）

切分三角形的方式不符合我们制作地形的直觉，因此上述算法在实际应用中使用不多。基于四叉树的细分方式则更加方便理解和使用。

优点：

易于构建
易于管理地理空间下的数据，包括对象挑选和数据流

缺点：

网格细分不如三角形网格那么灵活
叶节点的网格级别需要保持一致

QuadTree原理

QuadTree不同层级细分

QuadTree不仅在算法层面较为便利，并且资源的制作和管理方式也与算法较为贴合。四叉树同样存在T-Junctions问题，
但在处理时十分聪明：存在T-Junctions的问题三角形，将其新增的细分点吸附到临近三角形点。
这种处理方式不存在顶点的删减，算法实现层面也较为简单。
QuadTree不同层级细分

不规则三角形（Triangulated Irregular Network）

对于存在大量平面的地形，上述两种方法效果都不明显（极限情况地形为平面时，只需两个三角形采样就可以表达）。
因此TIN将地形的细分直接做到Mesh中，不再动态计算。
不规则三角形对比

GPU网格处理（GPU-Based Tessellation）

在早先时候，上述的细分算法都是需要程序员在CPU中精心处理好的，但在现代游戏引擎中，曲面细分的工作通常是交给GPU来完成。

硬件曲面细分（Hardware Tessellation）

DX11提供了基于硬件的曲面细分可选Shader
DX11的绘制流程

DX11的绘制流程2

Hull Shader：生成Subdivision Patch，Patch由几个控制点组成定义了一个细分面。
Tessellator Shader：根据Patch生成点集和这些点集的重心坐标。
Domain Shader：生成三角网格
Geometry Shader：添加额外的Primitive

网格着色器管线（Mesh Shader Pipeline）

DX12中提供了新的Shader管线：Mesh Shader Pipeline，极大简化了Shader处理流程，所有的处理流程都可以由程序自己控制。
DX12的Shader管线

注：NVIDIA在2019年公布Turing(图灵) 架构对Mesh Shader的拓展，对应RTX 20系列显卡。
而DX12同年也宣布对这一特性的支持，因此Win10之前版本不支持这一特性。

实时可变地形（Real-Time Deformable Terrain）

有了曲面细分之后，再进一步就可以着手处理与地形的交互了。以雪地交互为例，当物体在雪地中移动时，
我们用一张Texture来记录物体运动的轨迹。然后将这张Texture传入地形Shader中，做曲面细分。这样就可以实现雪地的交互变形效果。
实时可变地形

体素化（Voxelization）

曲面细分的方法虽然可以处理地面变形的交互，但地面的高度场并没有真正发生变化。
比如地面出现一个深坑，我们只能看起来有一个坑，但人并不会掉入坑中。而体素化地形可以较好得解决这一问题。

体素化思想
Voxelization是将物体的几何形式表示转换成最接近该物体的体素表示形式，产生体数据，包含模型的表面信息和内部属性。
表示3D模型的体素跟表示2D图像的像素相似，只不过从二维的点扩展到三维的立方体单元。
体素化能够对模型进行简化，得到均匀一致的网格，在求模型的切片，物理仿真分析过程中有较好的应用。
体素化

方块裁切（Marching Cube）
Marching Cube使用许多Cube来对物体进行填充表示。Cube的点与被表示的物体有两种情况：处于物体内部和处于物体外部。一个Cube有8个点，
这样每个Cube就有2^8=256种情况。由于反转状态不变，所以可以减少一半，为128种。再根据旋转不变形，又可以减少到14种情况。
Marching Cube

我们把这14中情况的Cube数据存到查找表(look up table)中，这样只需要判断Cube顶点与物体的交集情况就可以得到覆盖物体的每个Cube数据了。

优点：可以处理任意结构的地形。
缺点：相比常规处理，地形内部多出了大量数据，并且目前的算法并不完善。

地形的材质

之前我们已经解决了光照计算，但地形由于其特殊的需求，需要对一些参数据进行处理。

纹理混合（Texture Splatting）

当我们渲染地表时，必然需要用到地表的纹理，但地表中存在许多物体：沙、石、草……，并且这些物体存在重叠的情况，
不同区域可能需要对多个纹理采样。我们使用一张纹理作为不同纹理的map：使用哪些纹理进行采样混合。
简单根据alpha的混合不符合现实：混合区域沙子应该更多得处于石头缝隙中，而不是线性得混合。
简单的纹理混合

一种处理方式是对过渡区域做Height对比，从较高的区域区域过渡到较低的区域，则较高区域的混合权重下降慢一些，较低区域很快退去。
高级的纹理混合

但这种处理方式仍然存在问题，这种切换是0、1切换（只选择一种材质），当相机移动时，信息高频，会出现抖动，
通过增加阈值的方式来手动调整（加入Bias，当高度差在0.2内时看起来是最好的）。
添加扰动纹理混合

采样（Sampling）

Sampling from Texture Array

将实际采样的纹理存储在几个纹理数组中，通过Map纹理映射到具体对哪些纹理采样。
从材料纹理阵列中取样

为了让平面产生几何感，我们可以通过一下几种方式进行处理，目前使用的比较少

Bump（凹凸贴图）：颜色计算时，对法线做修改
Parallax（视差贴图）：对纹理uv做偏移，形成高度差
Dsaplacement（位移贴图）：对顶点延法线方向位移

地形的凹凸显示

虚拟纹理（Virtual Texture）

上面使用纹理数组的方式处理，我们的Shader就需要在不同纹理之间来回跳转采样，这样的处理方式是十分耗时的。
Virtual Texture很好得解决了这个问题：将需要使用的Texture合并到一个虚拟的大纹理中，进行动态加载与卸载。
Virtual Texture

直接存储器访问（DirectStorage & DMA）

常规的硬件GPU读取内存：硬盘->内存->现存，中间的数据传递十分耗时。DirectStorage技术在传递数据时，
传递的是未解压的数据，由GPU来完成解压。DMA技术则更进一步，直接由GPU读取纹理数据。
Virtual Texture

浮点数精度溢出

浮点数是以32bit记录数据（整数+小数），当我们使用浮点数来表示大地形顶点数据时，
很可能出现浮点数无法精确表示的情况。（由于整数部分过大，小数部分精度不够）
浮点数精度溢出

Camera Relarive Rendering
物体在渲染时，通常将顶点数据转换为世界坐标系。更好的处理方式是将物体转换为相对Camera的坐标来处理，
这样距离Camera视野范围内的对象就可以相对正确表达。

植被道路贴花等

树木渲染（Tree Rendering）

通常渲染树的方式是用一堆插片来表示，并且根据视角做LOD。
Tree Rendering

装饰渲染（Decorator Rendering）

早期游戏的Decorator会一直面向Camera（跟着相机旋转）
Decorator Rendering

道路和贴花渲染（Road and Decals Rendering）

Road在地形中的处理较为复杂，因为不仅要处理渲染纹理，还需要处理高度场。

Decals是将物体附着在对象上的技术，例如人脸上的花纹，建筑上的单孔。
Road and Decals Rendering

现代通常会用程序化的方式对地形物件进行生成，上面这些所有的纹理在渲染时，都直接Bake到VT中，减少渲染成本。

大气散射理论

大气

这部分主要涉及两部分：天空与云，大气的拟合方程如下：
大气拟合

影响因素：观察方向与天顶的角度（θ）、观测方向与太阳角度（γ）

优点：计算简单；缺点：只能模拟静态地表的情况

气体媒介

大气由气溶胶组成，所以才能表现出特殊的光学现象。气溶胶可以看做是很多细小的颗粒，光线在这些颗粒之间不断弹射，形成复杂的光学现象。
气体媒介

光的交互

在一维空间下对于光与气体的交互，我们作出以下假设，以此产生RTE方程：

光在气体中每前进一段距离，其能量会以一定比例被吸收
光在气体中每前进一段距离，会向周围散射
气体自发光（通常不考虑）
周围气体的散射

光的交互

RTE方程表示光传递的梯度，对于梯度的积分就是人眼看到一个气体像素的最终颜色。VRE想要表达是，
光从M点到P点，逐个计算每个气体光被吸收、散射并且接收周围气体散射的能量，得到最终的颜色。
VRE

光散射模型

Rayleigh Scattering

当介质远小于光波长，光几乎均匀散射，越短的波长(蓝、紫)散射越厉害。受影响于波长与海拔(h)
Rayleigh Scattering

Mie Scattering

气溶胶尺寸大于等于光波长，具有方向性，沿光方向比较强，对波长不敏感。雾也是用的这个原理
Mie Scattering

多散射问题

单次和多次射对比

现实中气体散射会影响场景中的光照，上图中山的背面被空气的散射照亮。为了解决这一问题，我们可以使用Ray Matching的方式处理。
Ray Matching

沿着射线的方向，均匀采样许多点。根据散射方程，计算散射积分。

实时大气渲染

为了避免复杂计算，我们通常会将通透度和散射放到纹理中进行查询。根据通透度和散射值，可以计算一次散射的结果，多次迭代计算可以接近真实效果。
根据一个角度和海拔高度采样通透度
通过三个角度和海拔高度采样一次散射

当我们需要处理天空中的雾效时，可以做一些简化处理。参考UE中的处理方式，以及作出的假设

大气的散射具有各项同性 => 颜色百分比的衰减
光源位置不变，海拔高度不变，这样只需要两个参数就可以查找散射
根据距离进行积分

快速产生天空和气氛的渲染

云的渲染

云的类型

stratus（层云）：云体均勾成层，呈灰色，似雾，但不与地接，常笼罩山腰，主要由小水滴构成，为水云，厚度一般在400-500米之间；
云底离地面高度常在2000米以下，属低云族。层云又可分成2类：层云、碎层云。
Stratocumulus（层积云）：一般在600~2000米，结构松散的大云块、大云条(滚轴状)组成的云层，有时排列成行；颜色灰白或灰色；
根据其形状特征可分透光、蔽光、积云性、荚状、堡状等层积云数种。
Cirrus（卷云）：一般在4500至10000米。它由高空的细小冰晶组成，且冰晶比较稀疏，故云比较薄而透光良好，色泽洁白并具有冰晶的亮泽。
卷云按外形、结构等特征，分为毛卷云和钩卷云、伪卷云、密卷云四类。