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GPU-Driven 水体渲染

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GPU-Driven 水体渲染

一、效果展示

1.1 静帧效果

  • 目前渲染效果：

  • 初版效果：

1.2 动态效果

二、技术拆解

2.1 几何阶段

初版方案

  • 波形：分形噪声（FBM）

目前版本方案

  • 波形：Gerstner 波
  • 交互：波动方程
    • 波动方程原理实现 + 历史帧俯视角深度 Mask 对比区分动态静态物体 + 像素对齐 + 帧同步（保证固定时间长度迭代一次）：

2.2 着色阶段

  • 基本表面着色：自写基础 PBR
  • 折射：分形噪声或 Gerstner 波扰动 OpaqueTexture
  • 间接光反射：SSPR（屏幕空间平面反射）→ 更新为双面 SSPR，以作为水下全反射效果：
  • 通透感表现：盗贼之海 SSS 方案 + 深度 Lerp → 盗贼之海 SSS 方案 + 可美术自定义化的深度颜色与可见度 Lerp（水下效果与水面着色兼顾）：
  • 焦散 (Caustics)：
    • 初版：基于屏幕空间的光子映射法
    • 目前版本：
      • 反射焦散：基于屏幕空间的 Gather 方法
      • 折射焦散：根据 Shadowmap 的特性进行 CausticCascadeMap 级联写入 + Light-NDC 空间的 RayMarching + 世界空间印花：
  • 白沫 (Foam)：基于 JFA (Jump Flooding Algorithm) 生成 SDF → 根据 Gerstner 波求得雅可比行列式（预备海面渲染）
  • 近水线侵蚀：屏幕空间检测近水范围 + 修改 OpaqueColor 色相饱和度明度：
  • 水线 (Waterline)：根据摄像机近平面世界坐标与水面解析得到的世界坐标得到距离场 + Kawase 模糊 Capture_Opaque_Color + 明度降低：
  • 水下体积光：根据折射焦散 Pass 得到的 RT 做屏幕空间光线步进采样该 RT + WaterlineMaskRT：

2.3 网格阶段

初版方案

  • 自适应曲面细分：自写基于距离的 Quad 曲面细分

目前版本方案

  • GPU-Driven 方案：
    • Renderer Feature 驱动四叉树迭代法求原始面片 Size + Position
    • 基于曲面细分着色器的 fractional_even 四叉树细分逻辑
    • 视锥剔除（Frustum Culling）：

三、引擎具体实现展示

3.1 GPU-Driven 架构

  • MaterialDataBuffer → 逐 Material Profile（OS）→ Buffer.setData
  • SubDivideQuadDataBuffer（Pos / Size / MaterialID）→ CPU 初步视锥体粗粒度剔除 → Buffer.setData → GPU-SubDivideRendererFeature 迭代（切分逻辑函数 + 更新 ArgumentBuffer）→ DrawInstanceIndirect（根据 InstanceID 拿到必备信息）→ 曲面细分着色器（切分逻辑函数）→ 保证不发生不平滑穿插现象：

3.2 类 CascadeMap 解决 Gerstner 波重复解析与波动方程模拟 RT 重复采样消耗

  • 问题背景：在吃水线效果、焦散（折射 + 反射）实现、水面顶点位移、视锥剔除逻辑、水面本体渲染中，都需要重复求解解析式，极大占用 ALU 算力。
  • 解决方案：以空间换时间的思路预计算 Gerstner 波的信息（法线、位移、挤压度）：
  • 折射焦散基于 Nsight Graphics 的优化前后性能对比： (结论：就折射焦散而言，已有显著的性能提升)

3.3 Renderer Features 管线配置

  • 分别实现距离场、环境反射、焦散（旧版）：
  • （目前版本）：

3.4 Shader 参数面板

  • 旧版 Shader 面板：
  • 新版 Shader 面板：

四、部分效果个人思考过程与问题

4.1 旧版思考

  1. 水面顶点动画： 根据距离动态细分的 Quad 曲面细分着色器 —— 本人发现 Tri 曲面细分的距离动态细分过程不够平滑，故尝试使用 Quad 规则进行细分，并编写距离动态细分规则，较 Unity 内置的动态距离细分函数更平滑。
  2. 焦散： 在尝试了通过 Light 空间的光子映射法实现焦散后，本人发现焦散的生成可以直接调用 Unity 的级联 Shadowmap 来实现类级联焦散。后对于焦散的耗能问题，尝试实现 ScreenSpace 的焦散；不过 ScreenSpace 的焦散仅在正午有较好效果（屏幕外的信息缺失），但性能较好，特定场景下可针对性使用。
  3. 白沫： 深度差白沫有一定的局限性：视角变化会导致白沫区域变化产生违和感。故通过 JFA 算法建立实时 SDF 场。

4.2 目前版本思考

  1. 曲面细分 + 切分的平滑过渡： 在选择 fractional_even 和 fractional_odd 的细分模式过程中，前者的偶数细分特征十分适配切分四叉树的规则。这里可将 fractional_even 模式描述为：
    • 细分因子值为 ：拓扑结构不变；
    • ：生成新的点与线段但保持位置不变；
    • ：平滑到对称位置。 故我们在设计切分细分函数时，只需要相邻边切分（细分）返回值的比值关系 ，并且避免极端情况（面片各边缘的切分逻辑返回结果过于迥异）导致的相邻边切分状态跳变。
  2. 视锥剔除的动态情况解决： FBM 与 Gerstner 波的核心区别：有无水平（XZ）的位移。故我们在做 Subdivide 与视锥剔除时（同时进行提升性能，省去了后续迭代的复杂度），需要应用 Gerstner 的位移信息以解决视锥边缘误剔除的问题。
  3. 目前版本架构问题与解决思路：
    • 无法完美适配各种形状的水面 → 采用绘制 Lookup Watermap 的方法解决；
    • 遮挡剔除（Occlusion Culling）对于目前的架构是可以实现的。