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体渲染探秘：在元宇宙实现体积光与体积雾
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作者:
匿名
时间:
2023-4-6 16:35
标题:
体渲染探秘：在元宇宙实现体积光与体积雾
文章引自元象XVERSE公众号：元来是你13｜构建元宇宙光之世界，3D体积光雾渲染技术
自然环境中，当光线穿过潮湿或含有杂质的空气时会发生散射效应，这些散射光线进入人眼，会产生一种光线被停在空气中，或被某种介质拦住的错觉，被称为体积光。
散射光线呈光束形状被称为体积光，无特定形状则叫体积雾，两者都是空气中“杂质”被照亮的结果。
在3D虚拟世界中，这些是极为常见的光照特效，既能真实表现出光照射在物体上产生的遮挡效果，又是场景设计师爱用的氛围烘托工具，通过光雾呈现阳光明媚、神秘诡异、梦幻浪漫感，使场景具备层次、深度和立体感，让用户沉浸于不同氛围和情感色彩中。
《森林之子》游戏中不同的光效
元象XVERSE自研的“端云协同”3D互动技术，希望在手机上就能呈现出庞大丰富、逼真材质、
真实光影的元宇宙“美感”
，因此渲染仿真是我们的长期研发课题。
本文聚焦颇具挑战性的“体积光/雾”渲染技术，介绍：
1. 影视游戏行业光效的不同路线
2. 三大主流技术方案及其优劣势
3. 元象自研“端云协同”渲染方案
全文2500字，预计阅读8分钟。
离线 vs 实时
影视和游戏行业的不同路线
影视行业通常追求极致的画面表现，因此愿意花大量时间和计算资源模拟真实的光线运动和效果。比如使用Houdini进行物理模拟仿真生成体积雾，通过设定灰尘浓度、湿度、风力等环境参数，在场景中生成“体积场”来描述环境中漂浮的烟雾粒子，这些粒子也会吸收和散射部分光线，呈现出体积光/雾效果，可作为光照计算的场景元素。之后，通过光线追踪技术模拟光线在场景中的传播和反射，准确计算场景中雾效的光照关系，最后生成真实细腻的光效。
影视行业的体积光效果展示
游戏行业看重实时交互，受手机等硬件设备的计算性能限制，会优先考虑性能消耗问题。常见做法是把不同光效进行分类，比如肉眼直视太阳产生LightShaft效果、光照进清晨的树林产生的Godray效果、光照亮雾产生的光雾混合效果等，再使用不同技术分别实现，用渲染技巧“伪装”光效，骗过玩家眼睛。
下面就介绍几种主流做法。此外，目前部分高端显卡已具备实时光线追踪能力，随着硬件性能不断提升，有机会在手机呈现更炫酷光效。
游戏中的体积雾示例
实时光效常见方案
Billboard面片光
实时光效模拟中，Billboard面片光可以说是扛起了半边天，它通过在场景中放置永远朝向摄像机的半透明面片，用贴图面片制作出光/雾效果。
Billboard面片光的光/雾效果
这种方法画面效果好，性能消耗低，缺点也显而易见，只适用于中远景。因为面片没有体积，只要走近或看光的侧面，就会穿帮，需要用淡入淡出方法，在近处面片光淡出画面来缓解。但瑕不掩瑜，它被影视游戏行业广泛应用。
LightShaft后处理光
远景中的另一个常见光效，是看向太阳时，光被场景遮挡产生的LightShaft效果——观众会看到太阳光从遮挡物或物体边缘溢出，照耀在周围物体，产生一种神圣、神秘感。通过调整光源强度和位置，能营造出不同的视觉和氛围效果。其难点在于随着镜头移动，光被遮挡的形状也不断变化，不能用面片光，而需后处理来仿真该效果。
光被场景遮挡产生的LightShaft效果
后处理是场景渲染完成后，再对画面做一次整体处理，通常为了校正颜色、抗锯齿、添加光效等。LightShaft后处理主要是三步：首先是提取光源像素，被场景遮挡后不一定能提取出光源本来的形状，其中遮挡让光源产生了场景交互光线，所以非常重要。第二步是该像素的径向模糊（Radial Blur），它是在图像中模糊一定区域，使其呈现向外辐射状的模糊效果，用在提取像素上，得到一帧画面的光线传播模拟图。第三步会将该模拟效果混回原图像，得出一个视线遮挡导致光效形状变化的光效。
LightShaft后处理步骤
体素渲染体积光
复杂光效只靠面片和后处理是远远不够的，能生产体积光/雾的体素渲染方案因此也被广泛应用。它可以使用Houdini这样的影视软件制作体积场，将其以3D纹理形式保存，再导入3D引擎中，通过制作体积雾材质，在场景中以雾效方式渲染出来。
以雾效方式渲染体积雾材质
它也可以用UE4自带的体积雾（Volumetric Fog）方案制作，用高度构建体积场，雾效浓度随高度上升，或逐步减弱。在光照计算上，它不会像影视行业一样使用实时光线追踪进行大量计算，而是将视锥体体素化成Froxel Volume，将每个Froxel视为一个采样点，对体积场中的雾浓度和光照强度进行分别采样，再结合吸收率、散射系数、相函数参数、自发光系数等介质属性，得出没有影视行业那么极致的画面效果，但在电脑上能实时计算的方案，在“好效果”与“普及性”中取得平衡。
UE4中的指数高度雾
元象方案
元象希望能在手机、PC到VR等不同终端上都呈现出真实光影的元宇宙“美感”，因此技术重点放在了自研“
端云协同”web端方案上
，因为它跨平台、易用、能触达大量用户，
最有应用前景
，但受硬件性能等诸多限制，
技术上也最具挑战
。
比如在图形API上，WebGL计算特性有限，要比手游花费更多精力优化性能热点；在轻量化上，不能将资产打包成app，而是按需调用资产，让用户实时加载，即开即玩，对包体大小控制提出了极高要求。
元象体积雾效果
元象自研的“端云协同”3D互动方案，解决了纯端架构大量依赖端侧算力，对PC或手机等终端设备的性能要求高的痛点，又解决了纯云方案中云服务成本高、网络带宽影响运行卡顿，或者WebGL云方案无法支持复杂场景和动效细节等问题，是一个“进可攻退可守”的方案。
元象的体积光效果
元象云方案
在光影的生产上，元象美术团队能以“影视级画质”的高规格搭建场景和设计环境，用光线追踪将其预渲染到云端。在渲染上，所有光影重度计算放到云服务器上，将高质量效果实时传输到端上。最终到呈现上，用户在手机上就能享受到复杂细节和真实光影的元宇宙“美感”。
元象室内光影效果
元象端方案
我们还在端上渲染部分光/雾效果，提高一些特定场景的画面表现力。比如Mesh体积光，是用Mesh表示体积场边界，再用解析式计算体积雾，能构建球、锥、圆柱等常见几何体雾，能用数学方法直接确定任一方向上几何体雾浓度，从而在web端进行高效渲染。
这个方案规避了3D贴图诸多技术缺点，包括移动端贴图带宽消耗高，容易导致性能问题和设备发热；贴图占用存储大，web端下载受网络影响大，下载时间也更长；采样3D贴图性能要求高，移动端无法承受等。
在具体实现上，以球形体积雾为例，Mesh体积光方案会假设网格体中心有一团雾，是中心为
s
c，半径为
r
的圆球状雾，从摄像机沿像素方向发射射线，则有摄像机原点
r
o，射线方向
r
d，射线长度
t
则有：
描述出了射线与球形雾的关系，求解后得到其交点：
t
min和
t
max。通过两个交点对应的射线长度，可确定任一像素在该方向上的雾厚度。厚度为零的像素认为该地没有雾，渲染时不会叠加雾效颜色，而在有厚度的像素，则会根据厚度数值相应叠加雾效影响。
算法示意图
最后元象的光雾渲染效果，经过端上体积光&雾的渲染叠加，整个空间立体度更高了。在阳光底下，画面会受体积光&雾的影响画面更加朦胧，在体积外面，光&雾里面的物体也会变得更有距离感。
VR空间光影案例
当前的体积光/雾效果还不错，但仍需要手动操作，比如手动将球形缩放为椭圆形，再放置到场景中合适位置，通过多个体积光共同组合成想要效果。如何把这些步骤用程序化方式自动实现，也是未来可以持续探索的方向。
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