使用Unity HDRP創(chuàng)建逼真的體積云
近幾十年來(lái),，flat-painted skyboxes和HDRIs一直是天空和云渲染的首選解決方案。而現(xiàn)在,，通過(guò)HDRP全新的體積云,，你可以用動(dòng)態(tài)云填充你的世界。對(duì)于系統(tǒng)的第一次迭代,，Unity關(guān)注的更多是性能和易用性,，因此你只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)，就能以較低的圖形處理器成本創(chuàng)建出漂亮的視覺(jué)效果,。
云渲染的簡(jiǎn)史
直到上一代游戲機(jī)淘汰之前,，體積云技術(shù)在游戲中應(yīng)用的情況一直是非常罕見(jiàn)的。立體的云,，即占據(jù)世界中物理空間的云，通常僅限于飛行模擬器和少數(shù)開放世界的游戲,。
造成這種情況的主要原因是渲染這種云的成本非常高,。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)依賴于光線跟蹤或光線行進(jìn)時(shí),，計(jì)算穿過(guò)云的光散射是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作,。而另一個(gè)原因則是，大多數(shù)3D游戲只需在地面（例如,，地形或海洋）上進(jìn)行,，因此它們不需要?jiǎng)討B(tài)天空系統(tǒng)或是飛行在云端上方的相機(jī)來(lái)推動(dòng)游戲的進(jìn)度。
因此,，許多3D應(yīng)用程序就選擇使用靜態(tài)紋理來(lái)塑造云朵,，如立方體貼圖或簡(jiǎn)單的透明材料作為替換。通常,，這些場(chǎng)景都是在離相機(jī)無(wú)限遠(yuǎn)的地方進(jìn)行渲染,，因此云朵不會(huì)與地面世界完全相連接，這樣做的的優(yōu)點(diǎn)是可以以非常低的成本為靜態(tài)場(chǎng)景提供足夠的質(zhì)量,。
隨著實(shí)時(shí)3D渲染的進(jìn)步和硬件性能的提高,，一個(gè)新的動(dòng)態(tài)體積云的時(shí)代開始了。這打開了全新視覺(jué)體驗(yàn)的大門,，這一切都可以通過(guò)Unity的高清渲染管道（HDRP）實(shí)現(xiàn),。
體積云受Volume Framework’s global wind影響可投下真實(shí)的陰影,。它們與Volumetric Fog和Physically Based Sky一起創(chuàng)造出令人印象深刻的體積太陽(yáng)軸和令人瞠目結(jié)舌的日落效果。
而天空反射和環(huán)境探測(cè),，以及局部反射探測(cè)和平面反射,，可以渲染云。這一過(guò)程組成了Unity全新的體積云系統(tǒng),，該系統(tǒng)可以與大多數(shù)其他HDRP系統(tǒng)無(wú)縫交互,。經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)在PlayStation 4（非PS4 Pro）上的延遲約為2ms，在最近的出廠的高端GPU上的延遲遠(yuǎn)低于0.5ms,。
易于設(shè)置
在Unity中創(chuàng)建體積云只需要簡(jiǎn)單的幾步即可完成,。第一，確保啟用HDRP資產(chǎn)和HDRP Global Settings,，以啟用“體積云”,。
這只是一個(gè)使用材積平分法來(lái)控制體積云的方式。如大多數(shù)HDRP效果一樣,，只需選擇現(xiàn)有的（全局）卷或創(chuàng)建一個(gè)新的卷,，并將其分配到一個(gè)體積云組件中然后再添加到其配置文件中即可實(shí)現(xiàn)。其中有許多參數(shù)可以控制云的類型,、風(fēng),、光、陰影以及云的整體質(zhì)量和成本,。
借助簡(jiǎn)單模式下的四種內(nèi)置預(yù)設(shè),，用戶可以立即創(chuàng)建多種類型的云場(chǎng)景如：少云，多云,，陰雨和暴風(fēng)雨天氣,。對(duì)于這四種天氣類型的調(diào)整，可以最大限度地提高云層下,、內(nèi)部和略高于云層部分的細(xì)節(jié)水平,，最高可達(dá)10，000米（33,，000英尺）,。
本地云模式會(huì)影響飛入和飛過(guò)云的能力，同時(shí)也會(huì)間接影響性能水平,。
當(dāng)本地云模式被禁用,，被渲染的云會(huì)離相機(jī)非常遠(yuǎn)。這使用戶可以將相機(jī)遠(yuǎn)平面保持在非常合理的距離,。但很顯然這種模式會(huì)讓相機(jī)遠(yuǎn)離云層,。
當(dāng)本地云模式被啟用，相機(jī)可以在云層下方、內(nèi)部和上方進(jìn)行導(dǎo)航,。但是,，為了與地平線有足夠高的視距，可能需要將相機(jī)遠(yuǎn)平面增加到100,，000米以上,，這具體取決于體積霧的密度。
出于這個(gè)原因,，如果項(xiàng)目不需要攝像機(jī)飛入云層并一直保持在云層之上,，請(qǐng)將本地云模式禁用。這時(shí)你仍將獲得相同的照明和陰影質(zhì)量,，同時(shí)能夠保持較低的相機(jī)遠(yuǎn)平面距離,。
如果你需要相機(jī)飛上云端，則可以啟用本地云模式,。至于基于物理的天空,，體積云系統(tǒng)模擬了地球的曲率，因此云頂包裹著地球,，并在地平線上提供了與陸地或海洋的真實(shí)連接,。如果進(jìn)一步彎曲云穹，你可以迫使它與世界相交匯,，這意味著你可以大幅降低相機(jī)的遠(yuǎn)平面距離,。
另外在場(chǎng)景中風(fēng)受到了特別的關(guān)注，風(fēng)再現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界中常見(jiàn)的浮力現(xiàn)象,。在Unity中對(duì)風(fēng)有四種控制,。例如，用戶可以創(chuàng)建靜態(tài)云,，但通過(guò)侵蝕風(fēng)，或者可以通過(guò)造型風(fēng)我們可以創(chuàng)造出迷人的遠(yuǎn)景,。
除了簡(jiǎn)單的模式下提供的四種預(yù)設(shè)之外,，用戶還可以使用自定義預(yù)置，該功能允許用戶使用曲線和滑塊控制大多數(shù)云的屬性,。這種模式非常強(qiáng)大,，可以在幾秒鐘內(nèi)用多層云創(chuàng)建各種各樣的云景。
要?jiǎng)?chuàng)建太陽(yáng)軸,，只需切換體積霧屬性并設(shè)置其最大高度和體積霧距離到幾千米,。這樣，定向光就可以影響大氣層,，并在云層下產(chǎn)生美麗的陽(yáng)光散射,。
最后是手動(dòng)模式，該模式支持專業(yè)用戶創(chuàng)建云覆蓋紋理和查找表（LUT）,，以便手動(dòng)控制LUT定義的每個(gè)垂直云切片的位置,。
渲染技術(shù)
云體積由2D覆蓋貼圖和LUT設(shè)定的不同高度剖面所驅(qū)動(dòng),，該剖面指定了密度、侵蝕和環(huán)境遮擋等屬性,。使用兩個(gè)3D噪聲紋理來(lái)吞噬云體積,，以生成不同的云形狀：
形狀噪聲：生成大片云形狀的低頻噪聲
侵蝕噪聲：提供云層表面微觀細(xì)節(jié)的高頻噪聲
在渲染時(shí)，HDRP的體積云系統(tǒng)使用光線行進(jìn),，這是一種依賴于從相機(jī)向物體和光源分步投射光線的技術(shù),。在案例中，向云體投射初級(jí)光線來(lái)對(duì)云表面進(jìn)行采樣,。然后,，次級(jí)光線被投射到太陽(yáng)上，以遮擋云層表面的像素,。
為了進(jìn)一步降低成本,，同時(shí)將視覺(jué)降格降至最低，該過(guò)程以四分之一分辨率進(jìn)行,，并進(jìn)行時(shí)間重投影和累積,。這意味著云系統(tǒng)使用來(lái)自先前幀的樣本來(lái)構(gòu)建完整的結(jié)果。因此,，當(dāng)相機(jī)高速移動(dòng)時(shí),，在必須渲染沒(méi)有任何歷史記錄的云的部分時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)一些重影或重建鬼影,。盡管如此,，Unity仍然提供了一個(gè)非常有效的抗重影解決方案，該解決方案支持快速的相機(jī)移動(dòng)和高風(fēng)速場(chǎng)景,。
需要特別注意的是薄的幾何形狀,，如樹葉等，不會(huì)產(chǎn)生任何明顯的偽像,，因?yàn)橄噜徳频南袼赝ǔ：茈y分辨,。
一天中，諸如日出和日落的這些時(shí)間對(duì)于塑造云來(lái)說(shuō)是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn),，因?yàn)榫坝^和天空之間的曝光差異很大,，地球的曲率及其產(chǎn)生的陰影；太陽(yáng)低垂場(chǎng)景中光散射的復(fù)雜性,，以及光線傳播的長(zhǎng)距離對(duì)云的渲染都是挑戰(zhàn),。
當(dāng)前的限制和未來(lái)的改進(jìn)
像任何系統(tǒng)一樣，體積云系統(tǒng)需要在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)最佳,。目前,，Unity針對(duì)攝像機(jī)位于云卷下方、內(nèi)部和略高于云卷的情況進(jìn)行了高度優(yōu)化。因此,，12公里（40,，000英尺）以上的空間和位于極高海拔的場(chǎng)景并不特別適合當(dāng)前的體積云系統(tǒng)，因?yàn)榍治g貼面可能會(huì)變得非常假,，如下圖所示,。
此外，Unity目前僅支持一個(gè)云卷,。這意味著存在于所述體積中的所有云形狀共享相同的噪聲,、風(fēng)向和照明屬性。未來(lái),，Unity將考慮支持多個(gè)云卷,，以便對(duì)用戶希望創(chuàng)建和制作動(dòng)畫的每一層云提供更精細(xì)的控制。
此外Unity還將增加對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)燈光和向云投射陰影對(duì)象的支持,。這對(duì)在太空中或飛行模擬器中模擬帶有閃光燈的飛船照射周圍的云朵時(shí)非常有效,。同時(shí)，局部體積霧也可以在某些靜態(tài)場(chǎng)景中使用,。
在視覺(jué)質(zhì)量方面,，Unity將考慮支持兩個(gè)以上級(jí)別的噪聲控制，為高級(jí)平臺(tái),、交互式幀率和離線應(yīng)用程序提供更高的畫面質(zhì)量,。
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