GAMES104 06.游戏中地形大气和云的渲染(下)

大气散射理论

Analytic Atmosphere Appearance Modeling

公式有两个参数：向上看的方向与天顶的夹角θ，向上看的方向与太阳的夹角γ

优点：计算简单高效

缺点：局限于地面视角，不能模拟从空中看、参数不能自由修改

Participating Media

也就是空气中的气溶胶。

光线与 Participating Media 的交互包括

• Absorption 吸收
• Out-scattering 散射
• Emission 发光
• In-scattering 附近的 Participating Media 的 Out-scattering 对打到自己

Volume Rendering Equation(VRE)

Scattering Types

Rayleigh Scattering(瑞利散射)

对于越短的波长（蓝光、紫光）散射得越厉害，长波长（红光）散射很少。

λ是波长，θ是光线和介质的夹角，h是海拔高度（用来表示空气密度）

大多用于计算天空颜色

Mie Scattering

• 有方向性，沿着光的方向会略强，不考虑波长的影响
• Mie散射一般表现雾和光晕

实时大气渲染

Ray Marching

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 Marching 主要计算的内容包括光线沿路径的距离、与物体的交点、体积密度、光线的散射和遮蔽等

• 沿着射线，在固定步长下，一步一步地积分起来。
• 计算复杂，那么就空间换时间，预先计算，存在表中。

  Precomputed Atmospheric Scattering(重要)

  大气模拟主要看两个参数：transmittance通透度、scattering散射

• 存 在地球上的任意一个点，视线与天顶的夹角
• 存 现在所在的海拔高度
• transmittance LUT存的就是从这么一个点看向这个θ方向，直到大气层的边界处，这些大气的通透度
• scattering散射要用三个角度算

缺点：

• multi-scattering很贵

• 手机端不好生成transmittance LUT

• 不好生成动态的切换效果，晴天变雨天

Production Friendly Quick Sky and Atmosphere Rendering

好文

先大胆假设，散射在各项分布是同样的。

这些光入射到你的点上，再散射回来的话，就是一个百分比的衰减

（没听懂喵）

云的渲染

Volmentric Cloud Modeling

• 优点：全动态、形状多变、可以飘

• 缺点：效率低，运算昂贵

• Weather Texture：随机的云的分布+云的厚度

• Noise Functions

  • Perlin Noise：用一个多项式的时间

  • Worley Noise

Cloud Desity Model

Ray Marching

又是他😋

• 从屏幕射出一条ray

• 在hit到cloud之前使用big step

• hit到cloud之后在云里面使用dense step(小一点的步长)

• 计算从太阳散射到云的radiance

tips:

评论区看到的大气密度拟合式 地球的大气层密度是随着高度大致呈指数下降的, 搜Barometric Density可以得到比较精确的拟合式. 这里贴上我与 @himisa 制作的提升GPU运算性能的拟合式:

float ApproxEarthDensity(float altitude)
{
    const float c0 = +2.452059275959612e-01;
    const float c1 = -1.021307723720660e-04;
    const float c2 = -6.682324198067511e-09;
    const float c3 = +1.421577941465463e-13;
    const float c4 = -1.006813818672577e-18;
    return exp2(c0 + altitude * (c1 + altitude * (c2 + altitude * (c3 + altitude * c4))));
}