Chango的數學Shader世界（二十）RayMarch雲層（二） —— 着色完善

目的：

在ue4中RayMarch雲層效果。

本篇參考IQ的shader進行着色。

 

參考：

見上篇

&&

https://zhuanlan.zhihu.com/p/34836881

 

觀察：

（電影《一一》）

（知乎Grfxlf，基於Henyey-Greenstein模型的雲）

IQ的雲大致看還行。但不能細看。有2個毛病：

1.不基於物理，十分hack的光照模型（最大問題是沒有清晰邊緣）

2.規模單一，難以控制的噪聲

這是本篇參考IQ，尚未解決的問題。

但其優點有3：

1.體現了雲的密度：厚白薄黑

2.“陰影”效果/雲的亮邊暗內效果:有灰有白。

3.有明顯的光照方向感

 

分析

非常地hack，不作過多解釋。原代碼中blend背景色的效果也不明顯，去了。

diffuse 光線方向上density的變化越大，越亮

col density越稀薄，越亮

多次迭代乘cloudA,模擬衰減，傳統做法爲exp(-t^n)。

float4 GainCloud(float4 re4,float3 sunDir,float t,float3 pos,float stepGain,float CloudSample,float maxHeight,float minHeight,float minX,float maxX,float minY,float maxY,float thre,float cloudA)
{
	if(pos.z>minHeight && pos.z<maxHeight && pos.x>minX && pos.x<maxX && pos.y>minY && pos.y<maxY)
	{
		float den = stepGain*mfbm(pos/CloudSample);
		if( den>thre ) 
		{
			float dif = clamp((den - mfbm(pos/CloudSample+0.3*sunDir))/0.6, 0.0, 1.0 );
			float3 lin = float3(0.65,0.7,0.75)*1.4 + float3(1.0, 0.6, 0.3)*dif;        
			float4 col = float4( lerp( float3(1.0,0.95,0.8), float3(0.25,0.3,0.35), den ), den );
			col.xyz *= lin;
			//float3 bgcol=float3(0,1,0);
			//col.xyz = lerp( col.xyz, bgcol, 1.0-exp(-0.003*t*t) );
			// front to back blending    
			col.a *= cloudA;
			col.rgb *= col.a;
			return re4 + col*(1.0-re4.a);
		}
		else
		{
			return re4;
		}
	}
	else
	{
		return re4;
	}

int i=0;
float3 nowPos;
float4 re4=float4(0,0,0,0);
for(i=0;i<RayDis;i++)
{
  nowPos = camPos+ RayStep*rayDir*i;
  re4=GainCloud(re4,sunDir,RayStep*i*tMul,nowPos,stepGain,CloudSample,MaxHeight,minHeight,minX,maxX,minY,maxY,thre,cloudA);
}
re4 = clamp(re4,0,1);
return re4.rgb*reMul;

 

結果

優點：實時渲染勉強達標。

調整參數做天空雲可以，但太醜且沒必要。（主要是形狀原因，顏色和透明度可以調）

缺點：

複雜場景下fps仍然喫力，若範圍小了又出現明顯地"march紋"，若實際用需要更多hack。

proceddual fbm可以進一步優化掉。

光照模型hack且醜，噪聲難以控制形狀細節，導致看起來模糊。

之後若有實際需求，可以研究下Henyey-Greenstein模型。

 

結語

總體來說，rayMarch雲在實時渲染中處理仍屬於費力不討好的地位（不知道在光追顯卡下會不會好些）。在特殊需求下可以提升視效，如《Bioshock Infinite》這種穿梭雲層的東西。但成品裏基本都是非常hack和優化的操作（手繪面片...），估計沒有rayMarch。