Building Worlds In Unreal 学习笔记——31-33 天空与雾气/体积云参数与材质分析

Posted 2022-02-03 清清！

Building Worlds In Unreal 学习笔记——31-33 天空与雾气/体积云参数与材质分析

• Lec31 天空与雾气 Unreal Sky & Atmosphere
• • 1 Directional Light & SkyAymosphere
  • 2 Fog
  • 3 Light Shaft
• Lec32 体积云设置 Volumetric Clouds
• • 1 Layer
  • 2 Multi-Scattering
  • 3 Ray Marching / Beer Shadow Maps
  • 4 Cast Cloud Shadow
  • 5 Cloud Ambient Occlusion
  • 6 Transmittance
  • 7 效果
• Lec33 体积云材质 Volumetric Cloud Materials
• • 1 BaseShape
  • 2 Volumetric Advanced Output
  • 3 NoiseShape
  • 4 lerp
  • 5 拓展

本系列学习资料来源，Ben Cloward的油管空间，B站的搬运翻译

Lec31 天空与雾气 Unreal Sky & Atmosphere

本节为场景增加雾气和大气
这是我们之前的场景，多少感觉整体有些平淡，主要是因为光照没调整过
作为一个巨大的户外场景，它缺少了场景的深度感以及大气的氛围感

当我们最开始选择TimeOfDayd的关卡模板时，它会默认给我们配置一些东西

也就是最后这五个，它们会被默认配置

我们其实可以自己手动添加一些诸如雾气，光束的效果

1 Directional Light & SkyAymosphere

首先我们来看这两者的关系
点击Directional Light，鼠标移到场景中，按住Ctrl+L，鼠标长按后松开，就会出现右下角这个小标志，随着鼠标移动可以自由移动Directional Light的方向

当把太阳在上面时，场景和云层是白的，当太阳拉到地平线的时候，场景就会变成黄色

这种模拟大气的效果由SkyAtmosphere中的瑞利散射参数和米氏散射参数来控制

尽管这些参数让大气在日出日落时变黄变红了，但是场景的深度感还是没有达到，其实也就是没有雾

2 Fog

于是接下来我们添加一下指数雾

把它一拖进来，就会发现效果有了，就是雾太多了

并且自带的雾气颜色会覆盖之前的散射效果，我们调整一下，让雾气颜色继承大气颜色，在project setting里找到这个，打钩，然后重启

因为雾气的参数会和原本的大气效果相加，所以在重启后把雾气颜色和方向都设置成黑色，这样我们的颜色就都是大气里拿来的颜色了

当拉到日出日落的时间时，雾气呈现黄色

如果打开体积云，很好看

3 Light Shaft

打开Directional Light里的Light Shafts选项，把LightShaftOcclusion和LightShaftBloom勾上

得到如下效果

LightShaftOcclusion的功能是，当某块区域挡住光线时，那块区域的雾就会变暗，得到暗暗的光束
LightShaftBloom的功能是，当光线很亮时，添加bloom

如果太阳会一闪一闪的，可以调低BloomScale和BloomMaxBrightness

Lec32 体积云设置 Volumetric Clouds

本节介绍六个关于体积云的外观和性能的参数设置

为了衡量性能，我们打开GPU cost

总毫秒数8.82，体积云是1.03

如果关掉体积云，可以看见场景渲染的毫秒数下降了，变成了7.21，并且下降的量比体积云本身的毫秒数多，这意味着体积云的一些成本也隐藏在其他指标中

所以我们在参数设置时，既要看体积云本身的消耗，也要看整体的消耗

1 Layer

首先是体积云组件的Layer参数

• Layer Button Altitude设置为5km，Layer Height设置为10km
  这两个参数控制云层的开始和厚度
  比如现在就是从场景上方5km开始，云层走过10km
  关于这个是什么含义，我们需要了解一下云层构造（下图选自世界气象组织的网站）
  
  动态调节一下这两个参数，效果很明显
  
  性能上来说，Layer Button Altitude影响不大，Layer Height控制云的厚度，性能消耗高一些
  比如设置成4和3的时候，消耗降低了一些，云层薄了一些
  

2 Multi-Scattering

打开云层材质

打开母材质

打开云层的材质，在下一节我们再看看这材质在干什么

找到Advanced Output的输出节点，可以看到Multi-Scattering的参数

光线打到云层表面，不是直接被一个硬表面反射，而是打到云层中的小液滴继续散射到内部
在实时渲染中，复杂的多重散射效果是通过对实际散射过程的近似模拟来实现的，具体来说，通过在体积材质中追踪透光率的多个倍频（或步骤）来实现
在UE4中，用Multi-Scattering的参数来近似光线散射
如果把它拉成2，消耗会变多
对于实时来说设成1就可以，对于一些高画质要求的可以设置成2

3 Ray Marching / Beer Shadow Maps

接下来看看云层如何在它们自己身上投射阴影
默认所用 光线步进（Ray Marching） 以及 Beer阴影贴图（Beer Shadow Maps） (BSM)。

可以在所用的云材质内切换两个模式，在Volumetric Advanced Material Output的细节面板的中的光线步进体积阴影（Ray March Volume Shadow）选项上勾选来进行切换

Ray Marching就是将射线投射到体积中，不断沿着射线采样看该位置是否有被云的结构遮挡，这个方法性能消耗高，但是质量好
Beer Shadow Maps就如图名字描述，使用shadermap，消耗较低
我们切换成Shdow Map的方式来看看（也就是去掉勾选）

首先是RayMarching的方式，如下图

然后是ShadowMap的方式，如下图，可以看到云的阴影很实，消耗降低了

4 Cast Cloud Shadow

接下来看看云层的投射阴影，打开方向光

中间那两个需要我们在云层上，并且有足够大的东西投影到云层上才有用，我们的场景里没啥用

第四个√可以看一看
打开时是这样

如果取消掉，没了阴影，云就变亮了，对整体性能影响不大，但是对效果影响很大

5 Cloud Ambient Occlusion

打开SkyLight的这个组件

把它取消掉会亮一点，它的作用是给云一个AO，对性能影响不大，可以开着

6 Transmittance

最后一个设置是体积云组件的这个参数，不开启代表全局都用一个Transmittance值，开启的话则是计算具体的Transmittance值

对整体云的质量是比较有影响的，性能上消耗不大

7 效果

各个参数根据需求调整，看看现在的场景效果

Lec33 体积云材质 Volumetric Cloud Materials

本节来解析默认的体积云材质

原本那个连线图太乱了，把它整理一下

从大局来看，我们先创建一个云的BaseShape，然后再创建一个云的NoiseShape，把这两部分通过Height来lerp到一起，然后由一些参数控制消光(extinction)和颜色

云层底部是形状平滑的BaseShape，云层顶部是比较嘈杂的NoiseShape，可以从场景中看到效果

一步步解析

1 BaseShape

先看根节点，体积渲染，叠加模式为additive

然后看材质最左边
世界坐标位置配合一个scale参数，为之后云层的采样提供坐标
时间配合方向参数，为云层运动提供参数

而后两者相加进入BaseShape，配合再乘以一个参数控制基础的噪声尺度，然后去采样我们的三维纹理

来看看这个三维的纹理是什么，是一个个分块，看着很像序列帧，或者flipbook里的纹理

但其实这些一块块的东西是一个三维纹理的切片，制作时可以用数学方法先生成噪声，然后在渲染出图的时候切片分割出图

换一种显示方式可以看到一个正方体的纹理，这是云材质的基础

而后进行一个指数调整，相当于增加对比度

我们来控制一下BaseNoiseScale和BaseNoiseExp这两个参数
调整一下Scale，随着这个值的变化，体积纹理就被tilling了不同的次数，找到重复感不严重又能有细节的值就好

调整指数的值，则是对于噪声纹理的对比度进行了调整，可以控制云层的颗粒度是厚实还是分的很细

这时候在BaseShape部分还有一个东西，就是这个Input，它提供了一个ConservativeDensity的参数

这个参数从哪里来呢，这就要看到该材质内的独立的一个部分

2 Volumetric Advanced Output

有上面那个Input，是因为我们在这里输出了一个Volumetric Advanced Output，这个输出节点是对于体积材质特定的，其最后一栏有一个ConservativeDensity
可以看到左边有一串节点计算了这个值

左边这串节点做了什么呢？它们定义了云的外形，然后输出给ConservativeDensity，再与BaseShape里的噪声纹理进行相乘，得到BaseShape
我们可以试试看只输出这个值

可以看到cloud只有基本形状，没有了噪声


我们来具体看看左边那一串节点做了什么

先看一部分拿到世界坐标位置，加上一个系数，只要XY，乘以一个系数控制比例（到这里很正常，像是一个投影而已），然后采样一个纹理

• 这个纹理是什么？我们可以看一看用到的这俩通道是啥
  R通道，云层底部的形状
  
  G通道，从底层到高层的云的，值从黑到白
  

采样过后，再看后面的节点

• 绿通道power一下，作为UV值的U（越靠近高层云的位置，U越大）
  1-CloudSampleAttributes作为UV值的V（CloudSampleAttributes这个值带来了云层的标准化高度，下0上1，然后1-来反转一下，下1上0）
  通过这个UV去采样一个图（上图左边显示的那个形状），也就是云的横截面图（U在横向移动，V在纵向移动）
  场景中把这个截面图采出来大概就是这样
  
  把这个结果和红通道相乘，就可以得到一个三维的有云的轮廓
  后面那个custom节点就是判断CloudSampleAttributes如果不在指定范围，就把输出归为0
  
• 通过一个从上往下看的纹理和横截面纹理，就重建出了天上的“云空间”
  为什么要建立这个“云空间”呢？因为我们不可能真的渲染这个天空，ConservativeDensity的定义会让我们会在我们需要的地方去做计算，ConservativeDensity为0时，也就是云不存在，也就不需要计算体积了
  所以ConservativeDensity也就相当于是一个空间密度，定义了这个密度，可以节省不必要的计算

3 NoiseShape

在进入NoiseShape的那些节点之前，我们来看看BaseShape的输出是什么（把lerp的节点输出替换成BaseShape的结果）

从上到下，所有噪声的分布都是一样的

而在我们原始的云材质中（下图），效果是明显上面的云更加细碎

这就是NoiseShape的作用，打破tilling

在节点中，我们在采样的第二个三维噪声（一个分辨率比较低的三维噪声），其用的time是乘了-0.1，和BaseShape的运动相反，其Scale也比BaseShape来的大，Exp和Strength来控制这个高频噪声的强度（如下方动图）


然后传入BaseShape的值，进行Remap

4 lerp

根据BaseShape，NoiseShape，以及高度的值（也可以根据参数调整），进行插值，插值结果乘以颜色和Extinction

5 拓展

可以去plugins里找到volumetric插件，里面有很多样例和贴图
以及在Ben佬这个视频下面，有人推荐了这个自制体积云的视频，也可以学习学习

暂时放着之后来补，期末了，开冲！