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title: 海洋、云Demo制作方案
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date: 2022-11-04 09:38:11
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# 海洋方案
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浅墨的总结：https://zhuanlan.zhihu.com/p/95917609
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波形：Gerstner 波、快速傅立叶变换、空间-频谱混合方法、离线FFT贴图烘焙（Offline FFT Texture）
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着色：Depth Based LUT Approach、Sub-Surface Scattering Approximation Approach
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白沫：浪尖=>[Tessendorf 2001] 基于雅克比矩阵的方法、岸边=》[GDC 2018]《孤岛惊魂5》基于有向距离场的方法、交互白浪：ASher的Niagara方案https://zhuanlan.zhihu.com/p/100700549
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## 波形方案
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### 线性波形叠加方法
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正弦波（Sinusoids Wave）[Max 1981]
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Gerstner 波 （Gerstner Wave） [Fournier 1986]
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### 统计学模型法
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快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform）[Mastin 1987]
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空间-频谱混合方法（Spatial -Spectral Approaches）[Thon 2000]
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### 波动粒子方法（不考虑）
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波动粒子方法（（Wave Particles） [Yuksel 2007]
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水波小包方法（Water Wave Packets）[Jeschke 2017]
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水面小波方法（Water Surface Wavelets）[Jeschke 2018]
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### 预渲染
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流型图（Flow Map）[Vlachos 2010]
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离线FFT贴图烘焙（Offline FFT Texture） [Torres 2012]
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离线流体帧动画烘焙（bake to flipbook）[Bowles 2017]
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## 水体渲染中的着色方案
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《神秘海域3》在2012年SIGGRAPH上的技术分享中有一张分析水体渲染技术非常经典的图，如下。
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- 漫反射（Diffuse）
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- 镜面反射（Specular）
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- 法线贴图（Normal Map）
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- 折射（Reflection）
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- 通透感（Translucency）
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- 基于深度的查找表方法（Depth Based LUT Approach）
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- 次表面散射（Subsurface Scattering）
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- 白沫（Foam/WhiteCap）
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- 流动表现（Flow）
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- 水下雾效（Underwater Haze）
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### 通透感（Translucency）
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#### 水体散射效果
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##### 基于深度的查找表方法（Depth Based LUT Approach）
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Depth Based-LUT方法的思路是，计算视线方向的水体像素深度，然后基于此深度值采样吸收/散射LUT（Absorb/Scatter LUT）纹理，以控制不同深度水体的上色，得到通透的水体质感表现。
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##### 次表面散射近似方法（Sub-Surface Scattering Approximation Approach）
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- [SIGGRAPH 2019] Crest Ocean System改进的《盗贼之海》SSS方案。
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- [GDC 2011] 寒霜引擎的Fast SSS方案。
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经过Crest Ocean System改进的《盗贼之海》的SSS方案可以总结如下：
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假设光更有可能在波浪的一侧被水散射与透射。
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基于FFT模拟产生的顶点偏移，为波的侧面生成波峰mask
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根据视角，光源方向和波峰mask的组合，将深水颜色和次表面散射水体颜色之间进行混合，得到次表面散射颜色。
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将位移值（Displacement）除以波长，并用此缩放后的新的位移值计算得出次表面散射项强度。
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对应的核心实现代码如下：
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```hlsl
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float v = abs(i_view.y);
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half towardsSun = pow(max(0., dot(i_lightDir, -i_view)),_SubSurfaceSunFallOff);
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half3 subsurface = (_SubSurfaceBase + _SubSurfaceSun * towardsSun) *_SubSurfaceColour.rgb * _LightColor0 * shadow;
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subsurface *= (1.0 - v * v) * sssIndensity;
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```
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col += subsurface;
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其中，sssIndensity，即散射强度，由采样位移值计算得出。
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图 《Crest Ocean System》中基于次表面散射近似的水体表现
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[GDC 2011] 寒霜引擎的Fast SSS方案
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[GDC 2011]上，Frostbite引擎提出的Fast Approximating Subsurface Scattering方案，也可以用于水体渲染的模拟。
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### 白沫（Foam/WhiteCap）
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白沫（Foam），在有些文献中也被称为Whitecap，White Water，是一种复杂的现象。即使白沫下方的材质具有其他颜色，白沫也通常看起来是白色的。出现这种现象的原因是因为白沫是由包含空气的流体薄膜组成的。随着每单位体积薄膜的数量增加，所有入射光都被反射而没有任何光穿透到其下方。这种光学现象使泡沫看起来比材质本身更亮，以至于看起来几乎是白色的。
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对于白沫的渲染而言，白沫可被视为水面上的纹理，其可直接由对象交互作用，浪花的飞溅，或气泡与水表面碰撞而产生。
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白沫的渲染方案，按大的渲染思路而言，可以分为两类：
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- 基于动态纹理（dynamic texture）
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- 基于粒子系统（particle system）
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按照类型，可以将白沫分为三种：
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- 浪尖白沫
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- 岸边白沫
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- 交互白沫
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而按照渲染方法，可将白沫渲染的主流方案总结如下：
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- 基于粒子系统的方法[Tessendorf 2001]
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- 基于Saturate高度的模拟方法 [GPU Gems 2]
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- 基于雅可比矩阵的方法 [Tessendorf 2001]
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- 屏幕空间方法 [Akinci 2013]
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- 基于场景深度的方法 [Kozin 2018][Sea of Thieves]
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- 基于有向距离场的方法 [GDC 2018][Far Cry 5]
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#### 浪尖白沫
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##### 5.2.1 浪尖白沫：[Tessendorf 2001] 基于雅克比矩阵的方法
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Tessendorf在其著名的水体渲染paper《Simulating Ocean Water》[Tessendorf 2001]中提出了可以基于雅克比矩阵（Jacobian）为负的部分作为求解白沫分布区域的方案。据此，即可导出一张或多张标记了波峰白沫区域的Folding Map贴图。
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《战争雷霆（War Thunder）》团队在CGDC 2015上对此的改进方案为，取雅克比矩阵小于M的区域作为求解白沫的区域，其中M~0.3...05。
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图 《战争雷霆（War Thunder）》选取雅克比矩阵小于M的区域作为求解白沫的区域 [CGDC 2015]
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另外，《盗贼之海（Sea of Thieves）》团队在SIGGRPAPH 2018上提出，可以对雅可比矩阵进行偏移，以获得更多白沫。且可以采用渐进模糊（Progressive Blur）来解决噪点（noisy）问题以及提供风格化的白沫表现。
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!(https://vdn1.vzuu.com/SD/cfb76434-ec75-11ea-acfd-5ab503a75443.mp4?disable_local_cache=1&bu=pico&expiration=1601438226&auth_key=1601438226-0-0-1b75c02f8faa2d5a94b74ad8ebb6e595&f=mp4&v=hw)
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图 《盗贼之海》基于雅可比矩阵偏移 + 渐进模糊（Progressive Blur）的风格化白沫表现
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##### 浪尖白沫：[GPU Gems 2] 基于Saturate高度的方法
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《GPU Gems 2》中提出的白沫渲染方案，思路是将一个预先创建的白沫纹理在高于某一高度H0的顶点上进行混合。白沫纹理的透明度根据以下公式进行计算：
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`$ Foam.a=saturate(\frac {H-H_0} {H_{max}-H_0}) $`
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- 其中， `$H_{max}$` 是泡沫最大时的高度， `$H_0$` 是基准高度，`$H$` 是当前高度。
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- 白沫纹理可以做成序列帧来表示白沫的产生和消失的演变过程。此动画序列帧既可以由美术师进行制作，也可以采用程序化生成。
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- 将上述结果和噪声图进行合理的结合，可以得到更真实的泡沫表现。
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#### 岸边白沫：[2012]《刺客信条3》基于Multi Ramp Map的方法
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《刺客信条3》中的岸边白沫的渲染方案可以总结为：
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- 以规则的间距对地形结构进行离线采样，标记出白沫出现的区域。
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- 采用高斯模糊和Perlin噪声来丰富泡沫的表现形式，以模拟海岸上泡沫的褪色现象。
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- 由于白沫是白色的，因此在R，G和B通道中的每个通道中都放置三张灰度图，然后颜色ramp图将定义三者之间的混合比率，来实现稠密、中等、稀疏三个级别的白沫。要修改白沫表现，美术师只需对ramp图进行颜色校正即可。如下图所示：
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#### 浪尖白沫&岸边白沫：[GDC 2018]《孤岛惊魂5》基于有向距离场的方法
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GDC 2018上《孤岛惊魂5》团队分享的白沫渲染技术也不失为一种优秀的方案，主要思路是基于单张Noise贴图控制白沫颜色，结合两个offset采样Flow Map控制白沫的流动，并基于有向距离场（Signed Distance Field，SDF）控制岩石和海岸线处白沫的出现，然后根据位移对白沫进行混合。
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### 水面高光
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### 水焦散
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水焦散的渲染 （Rendering Water Caustics）
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GPU Gems 1
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ShaderBits.com
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### 其他Demo
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6.5 NVIDIA UE4 WaveWorks
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GDC 2017上，NVIDIA和Unreal Engine合作推出了WaveWorks，以集成到Unreal Engine 4.15引擎中的形式放出。
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源代码传送门：https://github.com/NvPhysX/UnrealEngine/tree/WaveWorks
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demo视频：https://www.youtube.com/watch?v=DhrNvZLPBGE&list=PLN8o8XBheMDxCCfKijfZ3IlTP3cUCH6Jq&index=11&t=0s
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## 云方案
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eg2020的一篇很思路很新的论文
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有空写篇文章分享一下思路
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下面是改编了一下的shader
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raymarch的次数降低了很多倍（同样也增加了不少sdf的采样次数）
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优化思路想到再发。
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https://www.shadertoy.com/view/WdKczW
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### ASher的方案
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/107016039
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https://www.bilibili.com/video/BV1FE411n7rU
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https://www.bilibili.com/video/BV1L54y1271W
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### 大表哥2
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分帧渲染
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/127435500
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安泊霖的分析：
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/91359071
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### 地平线：黎明时分
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在有道云里有pdf
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/97257247
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/57463381
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### UE4云层阴影实现
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/130785313
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## 其他相关
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### GPU Gems 1
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https://developer.nvidia.com/gpugems/gpugems/foreword
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http://http.download.nvidia.com/developer/GPU_Gems/CD_Image/Index.html
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浅墨的总结：
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/35974789
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/36499291
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真实感水体渲染（Realistic Water Rendering）
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无尽草地的渲染（Rendering Countless Blades of Waving Grass）
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水焦散渲染（Rendering Water Caustics）
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