异星场景渲染

(美术拆解)

基于BSDF原理的材质

BSDF材质工作流-技术拆解

粒子点光源

一、粒子贴花原理

二、基于距离场的粒子点光源

三、注意事项：

大气散射与大面积草地渲染

一、效果展示

1.1 整体静帧效果

1.2 整体动态效果

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二、大面积草地渲染

2.1 技术拆解

应用阶段与几何阶段

• 绘草工具序列化草位置信息：
• 多级剔除架构： 在 CPU 侧分区块进行摄像机视锥六面体相交粗剔除，之后传入 Compute Shader 阶段进行精细视锥体剔除：
• 顶点动画：基于世界空间坐标采样的噪声图偏移，模拟风吹摆动；
• 公告牌渲染：轴向公告牌（Axial Billboard）；
• 碰撞交互：RendererFeature 绘制交互 RT：

光栅化与着色阶段

• 颜色蒙版 (Color Mask)：
• 草身渐变：
• 自发光渐变：
• 边缘光 (Rim Light)：
• 麦浪颜色：
• 前景压暗：

2.2 公开参数面板

• 绘草工具参数：
• Shader 参数：
• RendererFeature 参数：

2.3 草地渲染个人思考过程

• 草的边缘光透光模拟： 模拟草地在强光逆光下的半透透射宏观表现。最初考虑使用类似菲涅尔公式模拟，但由于大面积草叶的几何法线难以准确获得（曾尝试采用底层地形法线）；最终采用深度差方法模拟，偏移方向设为光源方向与法线方向的插值，获得了更自然的透光感。

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三、大气散射 (Atmospheric Scattering)

3.1 物理与技术原理

描述光线在穿透行星大气层行进过程中，与微观粒子相互作用产生的损失（消光）与散射：

• 光的内散射 (In-Scattering)：散射系数与相位函数共同描述：
  • 瑞利散射 (Rayleigh Scattering)：散射粒子尺度远小于光波长，几乎全向均匀散射，且不同波长损耗不同（波长越短散射越强，形成蓝天与落日红霞）；
  • 米氏散射 (Mie Scattering)：散射粒子尺度与光波长相当，具有强前向性且与波长基本无关（形成太阳周围的灰白晕光与雾霾）。
• 光的外散射与衰减 (Extinction)：采用比尔-朗伯定律（Beer-Lambert Law）描述光的介质吸收与外散射损耗。

3.2 技术拆解（预计算 LUT 驱动体系）

• Transmittance LUT（透射率表）： 描述光在不同高度、不同出射方向上的透射衰减系数：

  • 高度轴映射：当前点到行星地平线相交点的距离（高度范围：地平线半径高度 $\sim$ 大气层顶高度）；
  • 方向轴映射：当前点与当前视线方向同大气层相交点的距离（方向范围：切地平线方向 $\sim$ 天顶 Up 方向）：

• SkyView LUT（天穹视图表）： 实时存储单次散射与多阶散射的光照结果：

  • UV 球面投影：构建以 Up 方向为天顶角、Light 在垂直平面投影方向为方位角的方向球面；
    • $U$ 轴：范围 $0\sim \pi$ 的方位角；
    • $V$ 轴：范围 $1\sim -1$ 的 $\cos (\text{天顶角})$。
  • 单次散射 (Single Scattering)：沿视线步进光线积分内散射；
  • 多次散射 (Multiple Scattering LUT)： 基于两项核心假设：
    1. 多阶散射的相位函数趋于各向同性（Isotropic）；
    2. 邻近采样点具有同阶散射光照能量相等的空间局部性：

• Aerial-Perspective LUT（空气透视与体阴影 3D/2D LUT）： 描述不同视线、不同视距下光的散射增益（RGB）与透射衰减（A）：

  • UV 映射：与 SkyView LUT 类似，但 $U$ 轴扩展为 $-\pi \sim \pi$ 全球方位角；
  • 体阴影 (Volumetric Shadow)：步进过程中对比当前采样点摄像机空间深度与 ShadowMap 记录的阴影深度：

3.3 公开参数与验证工具

• 离线 LUT 图生成工具（前期算法验证）：
• RendererFeature 参数面板：

3.4 大气散射个人思考过程

• SkyView LUT 与 Aerial-Perspective LUT 在 UV 参数化设计上的差异：
  • 在 SkyView LUT 中，基于主光源（太阳）在天顶垂面上的几何轴对称性，仅需描述半球方向（$0\sim \pi$），显著节省贴图空间与实时采样开销；
  • 而在 Aerial-Perspective LUT 中，由于引入了地形遮挡和局部物体的体阴影判断，场景打破了纯对称性，因此必须采用全球方位角（$-\pi \sim \pi$）来精确判定步进采样点是否落入阴影区。