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海洋、云Demo制作方案	2022-11-04 09:38:11			⭐

海洋方案

浅墨的总结：https://zhuanlan.zhihu.com/p/95917609

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）着色：Depth Based LUT Approach、Sub-Surface Scattering Approximation Approach 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

波形方案

线性波形叠加方法

正弦波（Sinusoids Wave）[Max 1981] Gerstner 波（Gerstner Wave） [Fournier 1986]

统计学模型法

快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform）[Mastin 1987] 空间-频谱混合方法（Spatial -Spectral Approaches）[Thon 2000]

波动粒子方法（不考虑）

波动粒子方法（（Wave Particles） [Yuksel 2007] 水波小包方法（Water Wave Packets）[Jeschke 2017] 水面小波方法（Water Surface Wavelets）[Jeschke 2018]

预渲染

流型图（Flow Map）[Vlachos 2010] 离线FFT贴图烘焙（Offline FFT Texture） [Torres 2012] 离线流体帧动画烘焙（bake to flipbook）[Bowles 2017]

水体渲染中的着色方案

《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。

漫反射（Diffuse）
镜面反射（Specular）
法线贴图（Normal Map）
折射（Reflection）
通透感（Translucency）
基于深度的查找表方法（Depth Based LUT Approach）
次表面散射（Subsurface Scattering）
白沫（Foam/WhiteCap）
流动表现（Flow）
水下雾效（Underwater Haze）

通透感（Translucency）

水体散射效果

基于深度的查找表方法（Depth Based LUT Approach）

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。

次表面散射近似方法（Sub-Surface Scattering Approximation Approach）

[SIGGRAPH 2019] Crest Ocean System改进的《盗贼之海》SSS方案。
[GDC 2011] 寒霜引擎的Fast SSS方案。

经过Crest Ocean System改进的《盗贼之海》的SSS方案可以总结如下：

假设光更有可能在波浪的一侧被水散射与透射。基于FFT模拟产生的顶点偏移，为波的侧面生成波峰mask 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。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。对应的核心实现代码如下：

float v = abs(i_view.y);
half towardsSun = pow(max(0., dot(i_lightDir, -i_view)),_SubSurfaceSunFallOff);
half3 subsurface = (_SubSurfaceBase + _SubSurfaceSun * towardsSun) *_SubSurfaceColour.rgb * _LightColor0 * shadow;
subsurface *= (1.0 - v * v) * sssIndensity;

col += subsurface; 其中，sssIndensity，即散射强度，由采样位移值计算得出。

图《Crest Ocean System》中基于次表面散射近似的水体表现

[GDC 2011] 寒霜引擎的Fast SSS方案 [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。

白沫（Foam/WhiteCap）

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。

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。

白沫的渲染方案，按大的渲染思路而言，可以分为两类：

基于动态纹理（dynamic texture）
基于粒子系统（particle system）

按照类型，可以将白沫分为三种：

浪尖白沫
岸边白沫
交互白沫

而按照渲染方法，可将白沫渲染的主流方案总结如下：

基于粒子系统的方法[Tessendorf 2001]
基于Saturate高度的模拟方法 [GPU Gems 2]
基于雅可比矩阵的方法 [Tessendorf 2001]
屏幕空间方法 [Akinci 2013]
基于场景深度的方法 [Kozin 2018][Sea of Thieves]
基于有向距离场的方法 [GDC 2018][Far Cry 5]

浪尖白沫

5.2.1 浪尖白沫：[Tessendorf 2001] 基于雅克比矩阵的方法

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。

《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。

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]

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。 !(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)

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

浪尖白沫：[GPU Gems 2] 基于Saturate高度的方法

《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：

$ Foam.a=saturate(\frac {H-H_0} {H_{max}-H_0}) $

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。
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。
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。

岸边白沫：[2012]《刺客信条3》基于Multi Ramp Map的方法

《刺客信条3》中的岸边白沫的渲染方案可以总结为：

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。
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。
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：

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

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。