站长工具爱站网,乐清网吧,公司网站制作平台,网站建设沈阳公司一、大气
首先和光线追踪类似#xff0c;大气渲染也有类似的渲染公式#xff0c;在实际处理中也有类似 Blinn-Phong的拟合模型。关键参数是当前点到天顶的角度和到太阳的角度
二、大气散射理论
光和介质的接触#xff1a;
Absorption 吸收Out-scattering 散射Emission …一、大气
首先和光线追踪类似大气渲染也有类似的渲染公式在实际处理中也有类似 Blinn-Phong的拟合模型。关键参数是当前点到天顶的角度和到太阳的角度
二、大气散射理论
光和介质的接触
Absorption 吸收Out-scattering 散射Emission 自发光In-scattering 其他介质的光散射过来
四种方式累积起来形成RTE公式
体渲染公式其实就是RTE公式的导数
2.1 大气中的真实物理
大气中真实存在两种介质气体分子和气溶胶分子前者往往小于太阳光中各种光的波长而后者一般接近这些波长。 因此散射也分为了两种
2.2 散射
Rayleigh Scattering瑞利散射 当空气中介质尺寸远小于波长的时候气体分子
空气中的光是四面八方均匀散射不太具有方向性 对于越短的波长蓝紫光它散射的越远对越长的波长红光散射的越近 详细来说其散射公式如下 其中θ是光散射出去的方向和入射角之间的角度n是空气折射率。而密度比。ρ \rhoρ 这个数字在海平面上等于1随ρ ( z ) exp − h / H \rho(z) \exp{-h/H},ρ(z)exp−h/H 呈指数递减
几何部分决定了不同方向光的散射情况不同但整体差别不太大而且旋转不变波长部分表明波长越短散射越强密度部分表明了海拔对散射的影响。
这也解释了天空在白天是蓝色在傍晚是偏红的原因 Mie scattering米氏散射 当空气中介质尺寸接近或大于波长时气溶胶
有一定方向性对波长不敏感
详细来说其散射公式如下 对比瑞利散射多了几何参数g的影响。 其实际生活影响就是雾和太阳光环
2.3 吸收
空气中主要是臭氧和甲烷能够吸收波长的光比如臭氧吸收红橙黄甲烷吸收红光。比如海王星上大量甲烷导致其显现蓝色。 实际计算过程中往往假设这些气体是均匀分布在整个大气中的虽然实际上并不是比如臭氧集中在大气上层
三、实时大气渲染 3.1 预计算LUT
实际计算时Ray Marching是最常用的方法。其原理主要是依照路径逐步计算累积如下图 其中T就是所谓通透度密度 和普通物体的实时渲染类似预计算也在该领域得到运用LUT就是一个将许多复杂计算进行预计算保存下来的表格。在通透度方面一个公式得以提出
我们注意到两个点之间的通透度关系借此只由两个参数决定 h 和 θ 由此我们可以得到一个关于传播通透度的LUT表。
提出这个公式之后原来的单次散射公式就可以表示为 这里最重要的是一种参数化思想和上面一样利用三个参数 η 太阳顶角、θ 观察顶角和 ϕ 太阳到观察视角之间水平角度再加上当前高度 h 表示站在所有点在所有太阳角度下看任何方向的情况。这三个角都是方位角并进一步通过cos计算得到相应结果 μ s 、μ 以及 v 。我们将这个4D表示存到多个3Dtexture array其实3D texture的插值更合理里面方便查询。
因此我们获得了通透度LUT表和单次散射LUT表利用这两张表就可以计算出二次、三次以及更多次散射的LUT表
缺点
预计算成本很高。首先是多次散射的迭代计算成本高其次是在移动端没法用。即使在PC端可能也有很多毫秒甚至一秒但可能分到很多帧去完成没法处理动态环境调整。比如从晴天变成下雨的雾天此时需要均匀过度每一帧都要插值计算所以没法处理。包括艺术家调节参数也不方便虽然获得预计算表但单单是去逐像素进行高维的插值查询也是成本很高的所以经常需要为了效率去下采样
3.2 简化版
因为上述缺点一种更简化的多次散射方案被提出其特点在于认为任何散射都是各向同性的向所有方向均匀散射所以对一个介质来说其所有邻居介质收到来自它的散射能量都是相同的因而一次散射带来的结果只是整体削减吸收了固定百分比。 在这种设定下多次散射也就单纯变成了一次散射的指数变化等比数列而一个介质收到的不同次数的散射总量就是其求和等比数列求和。 这样一来由于极大加快了速度所以这种方法可以每一帧都进行计算。从而导致原方法LUT参数中的高度 h 以及太阳顶角 η都不需要参与预计算因为都实时更新了所以新方法的LUT表中只需要计算出观察的天顶角 θ 和一个水平方向环绕360度的夹角 ϕ 对应原来太阳到观察视角水平方向的夹角即可。化四维为二维。 再加入相机距离可以进一步获得3D的LUT表来实现ray marching
四、云的渲染 Billboard Cloud: Volumetric Cloud Modeling
云渲染从最早学术界的Mesh方法到早起游戏的单纯叠贴图逐渐发展到了用于3A行业的Volumetric Cloud Modeling。其本身有各种优点
真实的云的形状可以实现大尺寸的云支持动态天气支持动态的体积光照和阴影
同时也具有一个明显的缺点
效率低下成本昂贵其具体依赖于一个称为Weather Texture的东西而它由两个部分组成
天空中云的随机分布:
云的厚度从0到1表示利用这两个部分就可以实现比如云的移动对1进行平移以及厚度变化等
但是单单这样做会导致云的形状变成柱状所以引入了Noise比如Perlin Noise棉絮状噪声和Worley Noise细胞结构状等先利用低频把云的规则边缘模糊化再加上一些高频来优化细节。
实际如何进行渲染呢Ray Marching。具体来说分四步
对每个屏幕像素做射线在该射线未接触到任何云之前大步前进碰到云之后密集计算利用前述方法计算但进行简化因为云比较密所以可以做这个假设
