【Unity大气渲染】Unity Shader中实现大气散射(半成品)
创始人
2024-05-29 19:42:03
0

写在前面

这是之前在做天空盒的时候同步写的分析博客,结果后面写到一半就忘了继续了,这里先贴出当时写的半成品,有小伙伴问我怎么做的,这里只能尽力把之前的半成品先放出来了(写得很乱,勿怪orz),,后面有机会会完善好的!希望能帮到大家~

前置知识学习

【Unity大气渲染】关于单次大气散射的理论知识

关于卡通渲染的大气散射

因为我想实现的是跟Unity 卡通渲染 程序化天空盒 昼夜变化,而作者实现过程的文章Unity 卡通渲染 程序化天空盒里说了只是想实现一个日出日落的效果,大概做了如下两点简化:

  • 只计算了Mie散射
  • 光学距离部分只计算了D(\overline{PA}),省去了计算D(\overline{CP})

既然不是基于物理的,那【Unity大气散射】GAMES104:3A中如何实现大气散射里整理的LUT优化方式等等内容就派不上用场了,但也无妨!多了一次学习~

那么接下来计算会尽量参考着这两点去做~ 很大部分的过程参考【实战】从零实现一套完整单次大气散射_四 - 知乎

分析原神的日出

截图来自【原神】好美,原神一天中天空的变化_哔哩哔哩_bilibili

早晨,是地平线的颜色Bloom超突出,伴随着缓缓升起的Mie散射的日出效果: 

随着太阳升起,地平线Bloom褪去,留下明显的Mie散射: 

日出结束,进入白天时间,太阳始终伴随着一个炫光(猜测是直接叠加了一个炫光图案),加上有随太阳高度角变化的镜头光晕效果: 

关于地平线Bloom和太阳炫光、镜头光晕部分这里不提,先实现如此的Mie散射。

1 整体思路

我们需要模拟出人站在地面上看向天空的过程,其实就是人眼发出射线与天空相交的过程,这个过程还须判断是否被物体挡住,挡住了返回黑色;没挡住就调用一个单次散射函数,返回散射的值。

1.2 构建坐标系

  • 首先要有一个明确的坐标系:这里将地球顶部作为世界原点建立坐标系,换句话来说,就按照Unity的世界坐标就行!
  • 人眼此时就是A了,那么在Unity中相机的位置就是A的世界坐标,从A点出发发出射线与天空相交于点B,这时射线AB就是整个模拟过程中的“视线”

下图是解释图,我觉得画的不错hhh

1.2 函数1:射线与球体求交

数学原理没什么好说的,随便找了个解释原理的文章:

射线与球体/三角面片求交、重心坐标、插值_csu_xiji的博客-CSDN博客_射线求交

函数返回值

返回的是±t,rayOrigin+t*rayDir就能得到两个交点啦。

//-------------------------------------
// RaySphereIntersection
//-------------------------------------
float2 RaySphereIntersection(float3 rayOrigin, float3 rayDir, float3 sphereCenter, float sphereRadius)
{rayOrigin -= sphereCenter;float a = dot(rayDir, rayDir);float b = 2.0 * dot(rayOrigin, rayDir);float c = dot(rayOrigin, rayOrigin) - (sphereRadius * sphereRadius);float d = b * b - 4 * a * c;if (d < 0){return -1;}else{d = sqrt(d);return float2(-b - d, -b + d) / (2 * a);}
}

1.3 计算的部分

就是主要的单次散射函数,主要有两个关键:

  • 计算

2 计算T(PA)

参考开头的简化方法,我们不计算D(\overline{CP}),那么整体就是按照下式计算了!其中,海平面的散射系数是已知的,相位函数和光学距离(累加相对大气密度)都需要计算。

2.1 函数2:计算大气密度

//---------------------------------------------------------------------------
// GetAtmosphereDensity
//---------------------------------------------------------------------------
void GetAtmosphereDensity(float3 position, float3 planetCenter, float3 lightDir, out float dpa, out float dpc)
{// ρ(h)= exp(-h/H)float height = length(position - planetCenter) - _PlanetRadius;dpa = exp(-height / _DensityScaleHeight);// we don't computer the D(PC)dpc = 0;
}

其中,_DensityScaleHeight为大气厚度。

2.2 函数3:相位函数

//---------------------------------------------------------------------------
// ApplyPhaseFunction
//---------------------------------------------------------------------------
void ApplyPhaseFunction(inout float scatterMie, float cosAngle)
{// only Miefloat g = _MieG;float g2 = g * g;float phase = (1.0 / (4.0 * PI)) * ((3.0 * (1.0 - g2)) / (2.0 * (2.0 + g2))) * ((1 + cosAngle * cosAngle) / (pow((1 + g2 - 2 * g * cosAngle), 3.0 / 2.0)));scatterMie *= phase;
}

2.3 函数3:计算总散射

//---------------------------------------------------------------------------
// IntegrateInscattering
//---------------------------------------------------------------------------
float4 IntegrateInscattering(float3 rayStart, float3 rayDir, float rayLength, float3 planetCenter, float3 lightDir, float sampleCount)
{float3 stepVector = rayDir * (rayLength / sampleCount);float stepSize = length(stepVector);float2 prevDPA = 0;float prevTransmittance = 0;float densityPA = 0;float densityCP = 0;float localDPA = 0;float scatterMie = 0;GetAtmosphereDensity(rayStart, planetCenter, lightDir, localDPA, densityCP);densityPA += localDPA * stepSize;prevDPA = localDPA;// local Inscattering, densityCP=0float Transmittance = exp(-(densityCP + densityPA) * _ExtinctionM) * localDPA;prevTransmittance = Transmittance;[loop]for (float i = 1.0; i < sampleCount; i += 1.0){float3 p = rayStart + stepVector * i;GetAtmosphereDensity(p, planetCenter, lightDir, localDPA, densityCP);densityPA += (prevDPA + localDPA) * (stepSize / 2.0);        Transmittance = exp(-(densityCP + densityPA) * _ExtinctionM) * localDPA;scatterMie += (prevTransmittance + Transmittance) * stepSize / 2;prevTransmittance = Transmittance;prevDPA = densityPA;}// phase functionApplyPhaseFunction(scatterMie, dot(rayDir, -lightDir.xyz));float3 lightInscatter = _ScatteringM * scatterMie;return float4(lightInscatter, 1);
}

其中,为了方便用户调试,cpp里对于Mie散射的S项和T项分别提供可控参数MieScatterCoef和MieExtinctionCoef:

Vector4 MieSct = new Vector4(2.0f, 2.0f, 2.0f, 0.0f) * 0.00001f;_ExtinctionM = MieSct * MieExtinctionCoef;
_ScatteringM = MieSct * MieScatterCoef;

也就是_ExtinctionM是计算所取的S项海平面处的散射系数,_ScatteringM是计算所取的M项海平面处的散射系数,都是由cpp直接传入,MieSct取值参考:

1.1

相关内容

热门资讯

编程安卓系统和鸿蒙主题,跨平台... 你有没有想过,手机的世界里,除了苹果的iOS和安卓的操作系统,还有个神秘的鸿蒙系统?今天,咱们就来聊...
哪个安卓机系统好用,探索安卓系... 你有没有想过,手机里的安卓系统就像是个大厨,不同的系统就像不同的烹饪手法,有的让你吃得津津有味,有的...
安卓如何控制苹果系统,从安卓到... 你知道吗?在这个科技飞速发展的时代,安卓和苹果两大操作系统之间的较量从未停歇。虽然它们各自有着忠实的...
安卓原生系统文件夹,安卓原生系... 你有没有发现,每次打开安卓手机,里面那些文件夹就像是一个个神秘的宝箱,里面藏着各种各样的宝贝?今天,...
基于安卓系统的游戏开发,从入门... 你有没有想过,为什么安卓手机上的游戏总是那么吸引人?是不是因为它们就像是你身边的好朋友,随时随地都能...
安卓系统怎样装驱动精灵,安卓系... 你那安卓设备是不是突然间有点儿不给力了?别急,今天就来手把手教你如何给安卓系统装上驱动精灵,让你的设...
如何本地安装安卓系统包,详细步... 你有没有想过,把安卓系统装在你的电脑上,是不是就像给电脑穿上了时尚的新衣?想象你可以在电脑上直接玩手...
安卓12卡刷系统教程,体验全新... 你有没有发现,你的安卓手机最近有点儿不给力了?运行速度慢得像蜗牛,是不是也想给它来个“换血大法”,让...
安卓系统无法打开swf文件,安... 最近是不是发现你的安卓手机有点儿不给力?打开SWF文件时,是不是总是出现“无法打开”的尴尬局面?别急...
鸿蒙系统依赖于安卓系统吗,独立... 你有没有想过,我们手机里的那个鸿蒙系统,它是不是真的完全独立于安卓系统呢?这个问题,估计不少手机控都...
适合安卓系统的图片软件,精选图... 手机里堆满了各种美美的照片,是不是觉得找起来有点头疼呢?别急,今天就来给你安利几款超级适合安卓系统的...
阴阳师安卓系统典藏,探寻阴阳师... 亲爱的阴阳师们,你是否在安卓系统上玩得如痴如醉,对那些精美的典藏式神们垂涎欲滴?今天,就让我带你深入...
安卓系统有碎片化缺点,系统优化... 你知道吗?在手机江湖里,安卓系统可是个响当当的大侠。它那开放、自由的个性,让无数手机厂商和开发者都为...
安卓4系统手机微信,功能解析与... 你有没有发现,现在市面上还有很多安卓4系统的手机在使用呢?尤其是那些喜欢微信的朋友们,这款手机简直就...
鸿蒙系统是安卓的盗版,从安卓“... 你知道吗?最近在科技圈里,关于鸿蒙系统的讨论可是热闹非凡呢!有人说是安卓的盗版,有人则认为这是华为的...
安卓系统怎么剪辑音乐,轻松打造... 你是不是也和我一样,手机里存了超多好听的歌,但是有时候想给它们来个变身,变成一段专属的旋律呢?别急,...
怎么把安卓手机系统变为pc系统... 你有没有想过,把你的安卓手机变成一台PC呢?听起来是不是有点酷炫?想象你可以在手机上玩电脑游戏,或者...
手机怎么装安卓11系统,手机安... 你有没有想过,让你的手机也来个“青春焕发”,升级一下系统呢?没错,就是安卓11系统!这个新系统不仅带...
安卓系统如何拼网络,构建高效连... 你有没有想过,你的安卓手机是怎么和网络“谈恋爱”的呢?没错,就是拼网络!今天,就让我带你一探究竟,看...
安卓系统怎么看小说,轻松畅享电... 你有没有发现,手机里装了那么多应用,最离不开的竟然是那个小小的小说阅读器?没错,就是安卓系统上的小说...