Using Vertex Texture Displacement for Realistic Water Rendering(下）

Using Vertex Texture Displacement for Realistic Water Rendering（下）

作者： Yuri Kryachko

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翻译：clayman

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使用Branching避免不需要的计算

         即使优化了纹理拾取方式，渲染水面时的纹理拾取次数还是很高，将严重影响性能。虽然我们能减少需要渲染的顶点数量，但这会影响视觉效果，并且带来锯齿。

         由于我们渲染了大片的水面，因此有些三角形有可能一直延伸到了屏幕之外。但即使是这些三角形，顶点程序仍然对他们进行了渲染，浪费了宝贵的计算资源。如果我们渲染时跳过那些摄像机视见体（frustum）之外的三角形，则可以节省许多计算量。

         由于顶点程序同一时刻只能处理一个顶点，无法访问拓扑信息，因此，我们只能在顶点层次进行优化，而无法在三角形层次优化。虽然，当三角形中的某些顶点被挑过了，而其他顶点没有时，可能出会一些问题。但是在实践中，我们发现，如果三角形以及顶点纹理置换的位置足够小时，这种效果就不太明显。

         下面的伪代码描述了这个思想：

float4 ClipPos = mul ( ModelViewProj, INP)

float3 b0 = abs(ClipPos.xyz) < (ClipPos.www * C0 + C 1) ;

if ( all (b0))

{

         // vertex belongs to visible triangle,

         //perform texture sampling and displace vertex accordingly

}

         这段伪代码里，我们使用裁减空间的顶点纹理来判断当前顶点是否在视见体之内，之后，对于所需要的顶点，再进行余下复杂的计算操作。

         这里C0和C1是特殊的裁减常量，控制了三角形延伸出摄像机视见体多少距离将会触发裁减。这样，就能避免由于裁减了那些顶点在视见体外，但三角形还在视见体内的顶点，而导致的问题。出于效率的考虑，我们的“裁剪”视见体只需比摄像机视见体稍微宽一点就可以了，以保证延屏幕边缘有一定的“安全区域（guard-band）”。因为我们的水体表面镶嵌良好，同时顶点纹理置换也很合理，所以这个简单的方法在实践中效果很好。

 

使用渲染到纹理（Using Render-to-Texture）

         可以先使用一个单独的pass，把多张高度图混合为一张浮点纹理，从而进一步提高程序的速度。这样就不必在vertex shader中多次执行昂贵的拾取操作。此外，使用高度压缩的16－bit浮点纹理格式储存原来的高度图。另外，使用3D纹理，我们还可以储存一系列的高度图动画序列帧（a sequence of animated height maps），让水面动画更加平滑。

         使用这种优化，需要把渲染循环分为两个pass：

1. 用一个单独的pixel shader把多张高度图混合为一张32－bit的浮点纹理。这张纹理中的象素元对应了放射状mesh中的顶点。

2. 使用前面描述的方法，置换顶点位置。

 

Back Sides of Waves

         由于在pixar shader中进行的光照计算假设水面是平坦（flat），因此在某些特定的情况下，这种近似会导致一些问题。

         如下图所示，即使背对着观察者的波纹，也会被看到，而实际上，这些波应该是不可见的。这种效果将会对波峰较亮部分产生影响。

         为了减轻这种效果，需要对用于光照计算的法线进行调整，让它朝观察者的方向“倾斜（tileing）”一点，这样，他们就会靠近波纹的前面。 可以在源码中找到具体代码。以下是使用本章所介绍的技术，渲染的一张水面效果图。

 

1.2.5 渲染局部波纹扰动（Rendering Local Perturbations）

         有时候，需要渲染由于物体漂浮或者落入水中，所引起的局部波纹扰动。特别是对游戏来说，这是很有用的，我们通常需要产生爆炸效果，船航行时的轨迹，等等。对基于高度图的水面模型来说，很难引入物理上正确的扰动实现方法，我们将讨论一种简单的方法。

 

形变模型分析（Analytical Deformation Model）

         实现局部波纹的扰动，最简单的方法就是根据分析结果，再次改变置换之后的顶点位置，在vertex shader中把重新计算的顶点位置和置换之后的位置进行加和。例如，对于爆炸效果来说，可以使用以下公式：

         这里，r表示水平面上的点到爆炸中心的距离，b是抽样常量（decimation constant）。I₀、w和k的值则根据给定的爆炸参数来确定。

         至于渲染，同样可以使用前面渲染水面时，所用的放射状网格，但网格的中心必须是爆炸点。

 

动态置换贴图（Dynamic Displacement Mapping）

         另一种选择是，把局部产生的偏移值直接渲染到顶点纹理中，实际上就是在GPU上实现通用编程（general-purose programming on the GPU）（GPGPU）的方法。使用这种方法，先在第一个pass中产生一张顶点纹理，随后的pass中用它来进行实际渲染。对高度图进行过滤，在pixel shader中，再把所有波形加和到一起，可以大大减少vertex shader的工作量。

         为了计算偏移值，可以使用上面提到的分析模型，也可以使用一钟细胞自动机（cellular-automata）的方法，逐帧展开（evolving）局部偏移。沿着一定的方向对纹理进行模糊处理，还可以实现风吹过水面的效果。

         但是，对于大小为 1km ，分辨率为 50cm 的水面来说，意味着纹理尺寸为2048x2048，这将给纹理内存和shader的执行速度都带来极大压力。此外，想要快速改变观察点也很成问题。

         然而，我们仍然鼓励读者去尝试一下这些方法。

 

泡沫生成（Foam Generation）

         在波涛汹涌的水面上，我们可以生成一些泡沫来进一步增加真实感。最简单的方法就是对于高度超过值H₀的顶点，使用一张预处理过的泡沫纹理进行混合。根据以下公式来计算泡沫的透明度：

         Hmax表示可能出现泡沫的最高位置，H₀为基准高度，H表示当前高度。

         泡沫纹理可以是动态的，以表现泡沫的生成和消失。这些动画纹理序列可以由艺术家手动创建，也可以用纹理生成。

 

1.3 结论

         略

 

～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～·全文完～～～～～～～～～～～～～～～·～～～～～～

 

译注：

         原文和完整代码都可以在NVIDIA的网站下载：原文 代码

         另外还可以参考NVIDIA SDK中的示例程序Vertex Texture Fetch Water