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一、概述
我分享的是《咫尺明月刀》端游自研引擎的体积云和体积雾的渲染零碎开发和优化。首先给大家介绍一下背景以及指标：天刀在业内始终以动静的云海体积云著称，算是最早一批利用体渲染的大型 3D 网游，次要思维就是借鉴体绘制，利用体渲染进行光线步进，整体成果十分实在，并且性能也非常高效，近年来各类 3A 大作在这方面的改良层出不穷，提出了各种各样的新技术。
自然界中的云和雾变幻无穷，令人赏心悦目赏心悦目，这些都是星球研究所拍摄的国内各个中央的自然景观，新技术以及美术成果的各种需要使咱们有了更高的谋求和指标。
下图是整体零碎，咱们须要渲染相机中所看到的各种参与性介质，比方雾、云、大气等，在间隔相机 0 -200m 的范畴咱们应用 Froxel，就是图中黄色的体素网格进行渲染，超出 200m 的范畴应用 RayMarch 进行渲染。
这段视频演示了零碎的局部成果，咱们反对全动静的工夫天气变动，美术能够任意设置云雾的状态，玩家能够随便穿梭进入体积云和体积雾。咱们是如何对这些体积介质建模的呢？
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二、建模
首先是体积云，为了不便解说，咱们先从一个简略的例子动手，图示的一块云是从 10000 米的高度往下看，这块云体大略笼罩了 5km*5km 的范畴，它是依据左上角的 2D 仰视角的 Cloudmap 生成的，在高度上没有变动，咱们须要引入一张高度 LUT 贴图来管制他在高度上的变动。
左上蓝红色的竖条是以后的高度 LUT，云层在高度上便有了变动。
最初咱们退出 displacementMap 以及 PerlinWorley3D 贴图来刻蚀云体的边缘以及细节。两张贴图如上图左下角所示，最终云体模型会变得更有档次，细节丰盛。
这个视频演示了 Cloudmap 变动对云体形态的影响，Cloudmap 如下图红色箭头所示。
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这段视频演示了高度 LUT 贴图对云体状态的影响，LUT 贴图如红色箭头批示，实时游戏中 LUT 的变动会插值进行过渡, 咱们还能够应用各种程序化参数来扭转云层的状态。
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接着是体积雾的建模，FogMap 跟 CloudMap 的作用一样。它是张 2D 贴图，笼罩可玩区域，R 通道在 Houdini 中以地形高度图为根底微调，G 通道在 Houdini 中依据噪声生成，对特定区域进行手工编辑，B 通道是浓度，实时程序化生成。
这段视频演示了 FogMap3 个通道变动对地图中体积雾的影响，R 通道管制起雾的高度，G 通道管制起雾的衰减，最初 B 通道管制起雾的浓度。
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天空大气的原理: 咱们在外太空会看到地球上有一层大气光环，在晴天咱们看到的天空是蓝色的，在傍晚时看到的天空是橙红色的，这都是因为地球上的大气所造成的景象。
类地行星上存在着粘稠的气体以及其余细小颗粒，它们形成了一种非凡介质，会与光线有交互，造成各种景象。如果空气颗粒比拟细小，短波长的蓝光会受它的影响进而散射，这就是 Rayleigh 散射，散射进来的蓝光使天空变蓝。如果是比拟大的颗粒，光线会向五湖四海散射，而它在流传主方向上散射的光比拟多，这就是 Mie 散射，咱们平时所见的雾霾就是 Mie 散射的一个例子。
上面是 Rayleigh 散射变强的比照，在黄昏太阳光线在空气中流传间隔比拟长，导致蓝光大部分散射开来，天空呈橘红色。
这是 Mie 散射变强的比照，空气中大颗粒粒子比拟多，会造成雾霾景象。
体素介质的建模：咱们有时须要一些非凡的参与性介质，它的精度要求比拟高，可能须要一些非凡的光照，它的静止轨迹能够由美术来设置。
咱们在 Houdini 中依据力场生成带扰动的风场，来驱动这些介质，用两套实时计算的偏移场来混合介质的位移。
三、渲染
渲染分成 4 个局部，首先是 Froxel 的渲染。Froxel 是 Frustum+voxel 的缩写，从字面上就能够晓得，它是将相机的视锥宰割为一个一个的 3D 体素，咱们之前说了，应用 froxel 渲染的是 200m 以内的视锥。
视锥宰割成了体素后，第一步咱们会对每个体素注入介质的属性，同时咱们对每个体素生成 shadow mask 来保留它们的可见性信息。第二步计算每个体素的光照后果，第三步将每个体素的光照后果沿相机眼帘方向进行离散化积分，失去最终的光照后果。
这个视频展现了近处 200mFroxel 的渲染后果，太阳光是从左上角打下来，场景中有多个部分动静光源，这里的体积雾的建模会依据风力随机扰动属性值。
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接下来是 RayMarch 的介质渲染，如图所示，咱们会在 Froxel 后发射光线来持续渲染之后的参与性介质。首先咱们须要计算光线的终点和起点，而后扰动终点地位来避免一些 ray march 的 pattern，红色箭头指向的小图中，每个红点代表 raymarch 的采样地位，能够看到因为终点扰动，每个采样点并不是规定的齐步步进。
一开始咱们会应用比拟长的步长来疾速步进没有介质的区域，当咱们采样到介质时，如图所示，咱们会屡次试探来确定一个比拟好的步长，咱们在采样到介质之后，会每次减半步长来回退，如果回退还在介质中则持续减半步长回退，直至来到介质，而后再次步进介质中，如此循环直至回退数达到设置的最大值。
在介质中咱们会逐步加大步提高长，当来到介质后，咱们会从新应用更大的步长来步进。
上面咱们具体探讨下光照模型，咱们计算相机通过介质看到的最终色彩，首先要晓得背景色彩，就是图中 xs 这一点的光照色彩，思考到空气中有参与性介质，背景色彩会依据穿过介质的透射率（图中 Tr 项）做交融，最终的色彩除了背景色还有介质自身受光的色彩，咱们须要在眼帘方向上做积分来计算介质自身的色彩。如图所示，咱们有多个绿色的离散采样点，须要计算这些采样点的光照，而后再计算采样点各自的透射率，最终进行离散的积分。每个采样点的光照比较复杂，它首先有 BSDF 项（f），咱们个别用一个介质相干的 Phase Function 来表白它，其次是 Visibility 项，他来形容采样点和光源间接是否有遮挡。
那么咱们来进一步看下理论游戏中 visibility 项如何失去。它由三局部组成，第一局部是咱们相熟的 CSM，第二局部是介质的 shadowmap，它的深度是 ray march 失去，会依据 ray march 的透射率拟合一个深度，再应用 esm 和 mipmap 来进行暗影的柔和和反走样。第三局部是地形的 shadowmap，能够依据光照方向和地形高度图离线解决取得，咱们为什么要退出一个独自计算的 shadow mask volume 呢？
起因是暗影的计算因为欠采样会有很多瑕疵。如图中红圈所示，它对于最终画面成果影响很大，所以咱们思考应用 temporal 的时序累积来晋升暗影采样效率，以及稳固暗影数值。
这个视频是咱们加了 temporal 之后的成果，能够看到即便是动静的变动，画面也会十分稳固。
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对于光源的光照计算，咱们会应用 Zbin 的数据结构来缓存多个光源的可见性信息，进行光源的剔除，而后计算以后采样点的光照色彩，以及读取以后采样点的 Visibility 可见性信息，为了画面的稳固，咱们会应用 temporal 来累积时序上的光照后果，近似晋升采样率。
然而有一个比较严重的问题，不同于 Visibility 的低频信息，光照是一个高频信息，对于全动静的光源，时序上的累积会造成两个 BUG，Ghosting 景象和拖尾景象，Ghosting 景象很好了解，当光源挪动时，对于之前体素的光照累积会造成光照的拖影，这对于手电筒，探照灯等动静光源会有很显著的瑕疵。
第二个问题是相机变动时的拖尾景象，在参与性介质各向异性属性特地强时会呈现，如图所示，当相机转换视角时，光照变动十分激烈，此时再进行时序累积，会造成拖影。
然而如果咱们因而不进行光照时序积攒，会使体素光照欠采样产生噪点与画面抖动。
所以咱们须要采取更精准的办法来解决全动静部分光源，对于一条穿过光源的眼帘能够和光源原点形成一个立体三角形，针对其中一个三角形，顺时针扭转眼帘方向来进行离线预计算，一共应用 96 种相机方向，如图所示，这样每个立体三角形会生成一个 3D 纹理，而后咱们依据角度将整个光源分为 15 个立体三角形，又因为对称性，只须要记录 8 个。
在光照的时候，咱们依据眼帘与光源的交点计算 3D 纹理坐标，进而进行采样预积分的光照进行合成。
这个视频展现了应用间接计算光照和预积分计算光照的比照，能够看到前半段的间接计算因为欠采样会有很多瑕疵，后半段的预积分能够完满解决问题。
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最初一部分是重建合成最终的光照，为了性能思考，咱们会在 1 /16 分辨率上进行光照计算，每四帧顺时针旋转发射光线的像素点。
如图所示：第一帧发射最左上角的像素，第二帧发射右上角的像素，以此类推，在重建 1 / 4 分辨率尺寸的光照时，如图所示，绿色的像素点是以后计算的像素点，红色的区域是咱们须要重建的像素点，假如图示的红色像素须要重建，咱们思考它四周 3 ×3 的绿色无效像素进行加权插值，当然咱们要思考深度的不连续性，避免前景和背景谬误交融，如图示的红色像素须要进行重建，首先咱们会抉择出四周的 3 ×3 像素，而后依据以后像素的深度去进一步过滤深度类似的像素，比拟深度会引入一个问题，就是咱们之前说每四帧顺时针旋转像素，会造成重建时 3 ×3 的像素深度都是前景或者背景，如图所示，这 9 个采样点全是背景没有前景，所以咱们须要应用非凡 pattern 来获取最小和最大的深度范畴。
这张图是重建前的 1 /16 分辨率的光照后果。
这是重建实现 1 / 4 分辨率的光照后果。间接将 1 / 4 分辨率放大为全分辨率会带来各种问题。
在前景背景动态变化的地带，比方树叶间隙会造成重建不稳固，画面闪动。
所以咱们应用一个带深度权重的滤波核，对其进行双边滤波，并且应用噪点来扰动采样地位，并依赖前期的 TAA 来进行时序上的降噪，稳固画面。
四、性能统计
咱们曾经在天刀端游上线了第一版的大气零碎，过后应用的测试条件如图所示。
测试屡次性能取均匀，最终的后果如图所示：整体耗时在 1.4 毫秒左右，相较于它对于整体画面的晋升，游戏帧率的降落简直能够疏忽，总体性能以及性价比十分高。
最初，总结一下咱们的大气零碎，它是实时全动静的渲染零碎，能够大幅度晋升画面的品质与真实感，在整个时段和天气零碎中能够对立的整合进配置，不便美术制作、调整参数设置以及针对不同场景天气进行治理，它的性能非常高效，对游戏的帧率损失微不足道。
将来的改良方向，咱们心愿精简参数更容易达到比拟好的画面成果，以及更自动化离线制作的管线。
Bonus
此外，咱们还持全动静的时段以及天气，建模的体积云和体积雾能够依据以后的参数来程序化混合，任意变换各种状态以及光照成果。
这个视频简略的展现了从中午到黄昏，从晴天到下雨起雾的无缝动静过渡切换的过程，暴雨天气下雨水打到物体上会主动程序化生成水雾。
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咱们复用了下雨湿润成果的 OcclusionMap，以及 ESM 深度比拟来自动化实现，视频展现了雨雾开和关的成果比照。
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半透雾效是一个比拟辣手的问题，如红圈所示，水流这种半透物体的受雾特地容易穿帮，在浓雾中，咱们心愿玻璃这种相似材质能够齐全荫蔽在雾中。
一个折中的解决办法是在 RayMarch 的 pass，独自输入一个 Fogmap，对它进行 mipmap chain 的生成以及高斯含糊，为了性能思考这张 fogmap 只有 32×32 像素，alpha 通道存储介质的透射率深度，咱们最终雾效合成的代码如下，他并不是基于物理只是一种近似。
美术在游戏中须要手动管制室外室外不同的介质浓度，美术会制作房子的简模作为突围盒，用于 GI 等零碎。在体积雾中咱们复用这些突围盒，程序会主动的把它们体素化进 Froxel，注入介质的时候依据后果抉择属性。
Q & A
Q：体积云和体积雾的光照有什么区别？
鲍鹏：次要有以下几点区别：第一点它们反对的动静光源类型不同，体积云反对太阳光、闪电，体积物反对太阳光、部分光源以及 GI，另外体积云的可见性计算只有云层的体积暗影，然而会有多个 Phase Function 来模仿多层闪射。
Q：比表暗影笼罩间隔？
鲍鹏：地表暗影依据地表高度图解决的笼罩所有可玩区域，云层暗影的笼罩间隔能够配置，边界会应用淡出成果。
Q：Froxel 的划分以及 rayMarch 的间隔？
鲍鹏：8×8 像素是一个体素，深度上会有 64 层，ray march 会依据地球大气圈的高度计算一个起点，对于布径有一个最大间隔限度，如果透射率大于等于一，会提前退出。
Q：天空盒的解决？
鲍鹏：个别天空根本只有程序生成的大气闪射以及体积云雾，有时美术会需要应用天空盒贴图作为背景，咱们会应用透射率以及美术可调的参数，让美术手动抉择做 Blender。
