水面渲染小结

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水面渲染小结

2013年01月26日 ⁄ 综合 ⁄ 共 3238字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 评论关闭

水面渲染小结

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作者：clayman
Blog：http://blog.csdn.net/soilwork
clayman_joe@yahoo.com.cn

从几何模型上来看，水面其实和地面是一样的，可以看做普通的均匀网格，不同点在于地形中，顶点高度是固定的，而水面是动态的。此外，对于水面来说，还有许多特殊的光学效果。为了更好的描述渲染效果，下面借用了《Water Effect》一文中的部分图片。

一． 水面动画

当然，第一步就是让水面运动起来。对均匀网格来说，需要计算出每个顶点的位置和法线。实际上，如果仅模拟比较平静的水面，甚至只需计算法线就行了，这也是目前游戏中常见的做法。

仅使用法线来模拟水面的好处是可以极大的简化几何模型，最简单的情况下，一个网格就能代表整个水面，你甚至不必担心如何处理LOD计算。它的实现思想就是bump mapping，区别在于这里我们使用动态的normal map。可以实时计算出每条法线的位置，也可以从预先处理好的normal map中获得这些信息。显然，适用后者计算量可以减少很多。在Farcry中，水面实际上只使用了一张normal map，在vertex shader中，对纹理坐标进行不同的缩放和偏移，从而获得动态水面。对这种方法来说，normal map质量的好坏对最终效果有很大影响。下面的代码显示了通过混合三层不同的波来模拟水面的情况：

bumpCoord1 = texCoord + time*0.02;

bumpCoord2 = texCoord * 2.0f + time * 0.02;

bumpCoord3 = texCoord / 2.0f + time * 0.01;

half3 vBumpTexA = tex2D(tex0, bumpCoord1).xyz;

half3 vBumpTexB = tex2D(tex0, bumpCoord2).xyz;

half3 vBumpTexC = tex2D(tex0, bumpCoord3).xyz;

half3 vBumpTex = normalize(2.0 * (vBumpTexA.xyz + vBumpTexB.xyz+vBumpTexC.xyz) - 3.0);

上述方法最大的缺点就是对于起伏较大的水面来说，就无能为力了，由于仅仅使用法线来表示水面起伏，因此，当近距离观察时，可以看到水面实际是静止的。为了进一步增加真实性，让顶点真正运动起来是必须的。如何来计算水面运动呢？简单来说，可以把水面运动看作一系列正弦或余弦波的叠加。根据不同的时间和顶点坐标位置，计算出当前顶点的高度。然而，实践中我们却更偏向于适用Gerstner Wave。以下是3D Gerstner Wave的3D波动方程，注意这里的x是一个矢量x（x，z），代表顶点的坐标位置，w为角速度，k为波矢量，k为波数，x0为顶点的初始位置。

从数学角度来看，Gerstner Wave并不比普通的正余弦波动方程复杂，但他的波形却更像水波。对于正余弦波来说，波峰和波谷波的弧度都是均匀的，而实际上水波的波峰要尖一些，波峰则要圆滑。注意上述方程中对给定顶点x0来说，不同时刻，水平位置也是不同的，因此可以正确模拟出这种效果。多个Gerstner Wave相互叠加，就能模拟出相当不错的水面。有了水面高度，进一步对方程求导，就能计算出法线。

有时，你也许需要渲染电影级真实度的水面，那么这种简单波形叠加的方法也许就有些力不从心。可以适用FFT来模拟更真实的水面，它使用了统计波的模型（statistical wave model），通过快速傅立叶（FFT）变换求值。基本的思想是创建一个类似海面的，具有相同频谱的波形域，然后通过傅立叶变换转换到空间域。因此，水体表面实际上就是由许多由风产生的正弦波线性叠加而成。以下是所使用的波形方程：

公式中，h表示t时刻在网格位置处的水面高度。表示波矢（wave vector）,的计算公式如下

空间谱（spatial spectrum）通过过滤复数形式的白噪声（complex white noise）获得：

对FFT生成水面的细节超出了本文讨论范围，但总的来说和Gerstner Wave是类似的，只不过方程更复杂而已。

还值得一提的是用shader mode3中的vertex texture技术，可以把以上两种计算高度的方法放到程序的预处理阶段，运行时直接使用计算好的水面高度图，这样可以大大提高效率。

（混合多个Gerstner wave得到的水面）

二 水面颜色

计算水面颜色的方法很多，这里介绍一种简单高效的方法。假设水的颜色只与水面高度和观察着角度有关，那么可以这样计算颜色：

half facing = saturate(dot( eyeVect,normal));

half3 waterColor = lerp(shallowWaterColor,deepWaterColor,facing);

下面是添加了水面颜色的渲染效果：

三． Bump Mapping

仅仅靠的第一部分所说的方法来计算水面顶点位置和法线还不够，它们受到网格间距精度限制，只能模拟波长较长的波。这样的水面太过于平和，而显得不够真实。因此，需要添加Bump Mapping来增加细节和高频波浪。这里可以使用的第一部分仅仅使用normal map模拟水纹的方式，来获得动态bump mapping效果。注意转换到tangent space下进行光照计算。