《荒野大镖客2》的大气云雾技术

导语：技术一直行业领先，但是一直低调的Rockstar，终于在SIGGRAPH 2019放了大，做了《荒野大镖客2》（大表哥2，Red Dead： Redemption II）中的大气云雾技术分享。 看得也是近几年最过瘾的一篇了，high点： 是发售游戏中实际使用的、完整的、系统化的技术合集

　　技术一直行业领先，但是一直低调的Rockstar，终于在SIGGRAPH 2019放了大，做了《荒野大镖客2》（大表哥2，Red Dead： Redemption II）中的大气云雾技术分享。

　　看得也是近几年最过瘾的一篇了，high点：

　　是发售游戏中实际使用的、完整的、系统化的技术合集

　　代表当前最强的大气系统

　　技术探索&整合nice，积累深厚，运用纯熟

　　理论、实际开发已经性能优化有很好的平衡，堪称R&D的典范

　　motivation & overview

　　这也是很多优秀工作室做事的一个方法，在处理开创性事情的时候，就会列出一些依据来进行“合理突破”。

　　这里笔者也是深有共鸣，是一个很有章法的做事方式。

　　Rockstar这里就包括：

　　在《荒野大镖客1》中已经有了不错的大气系统，而且这个确实很重要，当然要在2中进一步发展。

　　受到一些名画的启发，笔者也是在看一些绘画，去一些景色壮观的地方都会带来很强的创作冲动（虽然我是写程序）。

　　以及基础的atmosphere scattering系统中，现在确实还有很多可以完善的地方。

　　通篇是分成data model、render、scene integration三个部分。

　　data model

　　这部分是一个知难行易的模块，所以直接列下特性和做法。

　　云的分布

　　这块比较类似Horizon Zero Dawn的做法：

　　https：//blog.csdn.net/toughbro/article/details/48844649

　　使用分布图来定义云的整体分布：

　　[ 出来效果这样的，同时可以有多层的云 ]

　　雾的分布

　　类似云的分布，雾也是有一个分布：

　　[ 没有fog map的版本 ]

　　[ 有fog map的版本 ]

　　云的形状定义

　　这块参考的15年的Horizon Zero Dawn的做法：

　　https：//blog.csdn.net/toughbro/article/details/48844649

　　基本原理差不多，有一些自己的特色：

　　这里定义云的形状：

　　1个lut定义云的厚度

　　1x3d noise，2x2d displacement

　　效果目测要比Horizon Zero Dawn的好一些。

　　render

　　接下来我们看第二部分，这部分主要谈渲染部分，包括scattering和lighting的render，相对内容也多一些。

　　可以说这部分是本篇重点所在。

　　voxel+ray marching

　　处理大气效果时候，为了兼顾近处的精度和场景的宏大，使用了混合方案：

　　近处使用voxelization的方式，得到高精度的渲染结果，reference了刺客信条的一个文章：

　　https：//blog.csdn.net/toughbro/article/details/46706837

　　远处使用ray marching的方式，平衡效果和效率

　　光照模型

　　这里最终的光照模型，使用这样的公式列出来，这个比较像大家所熟悉的PhysicallyBasedLighting中的macrofacet公式的模样，其中三项如下：

　　P：phase的缩写，是光通过media时候的scattering的情况

　　V：visibility，我们可以近似理解成shadow类的东西

　　L：lighting，也就是光源，直接光，ambient lighting等等

　　phase项

　　这里分成两个层级：

　　1、基础phase模型，是基于Henyey-Greenstein phase function（简称HG），这个模型对于single forward scattering处理的比较好。

　　2、多种scattering组合，基于上面的擅长处理single forward scattering的HG（heney-greenstein）模型。

　　3、==使用多级HG模型来模拟multi scattering

　　4、==使用一个clamp操作来模拟back scattering

　　这里稍微贴下HG模型的样子：

　　这里g项是[-1，1]之间，代表从back scattering到forward scattering的情况，表示media的属性。

　　theta就是各个角度，phase function就是关于角度的函数么。

　　HG函数这部分还是比较物理的，但是multi scattering部分就是比较变通了，是多级HG来模拟multi scattering，各级之间的权重由美术定义。

　　然后给定g，关于theta就可以预计算出来，放到LUT（look up tabble）贴图中：

　　最后放在一起的效果：

　　只有1级HG function的时候：

　　2级HG function模拟multi scattering+back scattering：

　　“physically based“的度和变通

　　这里也是涉及到一个“physically based“的程度问题，原则上我们是要physically based这样会尽可能的物理化，好处现在PBR已经论证的非常好了。

　　但是实际开发中，我们会遇到各种需要折中的地方，或许是物理模型不够好，或许计算过重等等。

（编辑：二游网_173173游戏网）

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