这场雪下的格外美——AAA游戏中雪的实现






现在越来越多的AAA游戏中都实现了逼真的雪的效果,比如《战神4》、《地平线:黎明时分》、《荒野大镖客:救赎2》、《古墓丽影:崛起》等都实现了不错的雪地效果。今天我们就来探究一下他们的实现方式。现在主流的实现方式都是通过硬件提供的细分功能来实现的。

Batman:Arkham Origins

这个游戏里面没有地形,只有房顶和城市街道两种,所以它的做法比较取巧,局限性比较大。



动态生成置换高度图,主机使用视差映射,PC使用细分技术。




如何生成高度图?




把会影响雪地效果的物体(有一部分在雪的表面下)使用一个踝关节高的正交相机渲染到一个rt里面。

把rt清除成黑色。

渲染物体为白色。

过滤并把渲染结果累积到另外一张纹理里面。










大体思路就是这样的,它的优点就是实现简单,但是也有一些局限就是它只适用于房顶以及平坦的城市街道。当然我们也可以对它进行相应的改进,以支持地形以及有坡度的物体。

Rise of the Tomb Raider

古墓丽影崛起的做法较通用,可以在地形上产生雪迹。在仔细介绍前先统一下术语。

Snow height:在未应用变形之前的雪的高度(vertex.z)

Deformation points:劳拉的脚以及其它产生变形的3D坐标。

Foot height:一个变形点的垂直高度(point.z)

Trail depression:雪迹被踩下去的比原本雪低的那部分。

Trail elevation:由于被踩下去导致雪隆起的那一部分。




Deformation heightmap:一张32位的纹理,1024x1024个像素,存储变形信息。

Depression depth:abs(snow height–foot height)

Deformation shader:用于生成变形高度图的compute shader。

Fill shader:用于模拟暴风雪后雪迹被慢慢填充的过程。

Snow shder:用于渲染雪的shader,这个shader会应用变形信息。

有了这些术语,我们接下来看看它是怎么做的。




从上图可以看出它主要分为三个步骤:

Deformation shader根据dynmaic_object的defomation point来计算影响的像素信息。

Fill shader用于修改上面计算好的高度信息,模拟暴风雪将雪迹填平的过程。

Snow shader用来应用变形高度图配合细分来实现雪迹效果。




生成高度图

观察发现雪迹的形状可以用一个二次曲线近似,通过把一些动态物体近似成一些点,变形高度可以通过以下公式计算:




这些变形点累积到deformation heightmap中,deformation shader为每一个点分配一个组,每个组会写入32x32的一个区域内,并且使用一个原子取最小操作,之所以需要这个是因为多个点的影响的区域可能会重合。

生成隆起(elevation)部分

为了计算elevation,foot height也是需要的,主要是用来判断是否能生成雪迹,因为elevation部分是高于雪未经变形的高度的。




为了计算elevation,我们需要知道elevation distance,它是elevation开始的地方到当前渲染点的距离。如下图所示:




为了计算elevation distance,我们引入了以下几个变量:

Depression distance:变形的中心到depression结束的距离

Distance from root:变形的点心到当前渲染点的距离,注意它是depression distance和elevation distnce的和。







Elevation的值应该跟雪迹的深度成正比,雪迹越深,那么elevation应该越高。计算公式如下所示:




纹理选择

为了给雪地一个更随机真实的效果,三张纹理贴图应用到了变形的不同部分,如下所示:



到这里,基本的雪的变形效果的实现已经讲完了,一些优化细节我们这里就不仔细讲解了,感觉兴趣的同步可以参考GPU Pro7上的文章。现在我们来说下它的优缺点,优点是实现也比较简单,支持任意坡度的网格,雪迹的形迹有隆起的部分,以及模拟暴风雪填平雪迹的效果。缺点是它把一个物体当成了一些点的集合,这样就不容易做一个人死后躺在地上类似的效果,当然也不是不能做就是把一个成当成多个点来解决,但是总体效果会差一些。下面我们来看另外一个解决方案。

Creating Snow Trails in Unreal Engine 4

它的步骤如下所示:

使用一个Scene Capture从下向上拍摄一张地形的深度图。

在上一个拍摄的基础上使用Custom Depth拍摄影响雪迹深度。

根据这两个深度的差值来决定哪些地方会产生雪的轨迹。

把上面的结果放到别个一个rt上用来做累积。

应用累积后的效果到雪的材质产生雪迹的效果。


从下往上拍摄

根据offset来生成灰度图



当然这里有一些细节需要处理,我们这里略过不谈,感兴趣的可以看参考文章中的Create snow trails in ue4来了解细节。当然这个只是个demo实现,并不能应用到实际使用中,需要做很多的改动和优化,主要是借鉴下思路。最终效果如下所示:



现在我们来说下它的优缺点,优点是实现较简单,适用于所有情况(适用于任意形状的物体),缺点是这个只是个demo,如果要真正使用中还是有很多细节(坑)要去踩。当然也可以在这个算法上做些改进优化以达到更通用的支持,比如在地形之外的任何物体产生雪迹。

总结

上面列举了几个生成雪迹的方案,可以看到都用到了变形以及细分来做,如果硬件机能有限也可以把细分用视差映射来替代,通过分析它们的优缺点,读者可以根据自己的游戏类型来选择对应的方案。当然我们也可以在原来的基础上扩展以及修改达到更好的支持,甚至超越市面上的AAA游戏。如果有其它的方案,也欢迎大家在留言中讨论。


参考文章


1.slideshare.net/colinbb/
2.tombraider.tumblr.com/p
3.GPU Pro 7 Deferred Snow Deformation in Rise Of The Tomb Raider
4.raywenderlich.com/5760-
5.[GamingBolt]Graphics Analysis-God of War:Arguably The Best Looking Game of All Time

专栏地址:https://zhuanlan.zhihu.com/p/56927127


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