单层水着色模型

介绍单层水材质着色模型的概念,以及它是如何用来渲染基于物理水面效果。

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单层水(Single Layer Water) 材质着色模型是一种借助单深度层来提供高效半透明方法的材质。这是一种基于物理的着色模型,支持适当的光散射、吸收、反射和折射以及水面阴影。

单层水的实现

单层水着色模型使用自定义渲染通道来实现透明效果,可以在使用 不透明(Opaque)遮罩(Masked) 等混合模式时实现。材质的半透明在基础通道和延迟光照之后运行,但先于常规半透明渲染、后期处理以及渲染管道中的其他所有内容。

单层水着色是一种包含参与介质的均匀体积,使用了散射和Schlick相函数,并受不透明或遮罩水表面的影响。表面的透明度隐含在体积着色模型中。折射也由体积函数处理,它在扭曲示例之前会读取表面下方的深度和颜色。

在材质编辑器中,Single Layer Water Material 节点有四个输入:散射系数吸收系数PhaseG水后色度。这些输入将定义水的外观。主材质节点的 不透明度(Opacity) 输入将处理水的半透明度,从而控制体积的双向散射分布函数(BSDF)和表面的双向反射分布函数(BRDF)之间的比率。

你可以使用RenderDoc执行帧捕获,以便你查看GPU捕获中单层水通的发生位置。当使用单层水通道时,BasePass已经渲染和点亮。完全点亮的场景和深度将用作单层水通道的输入,读取缓冲区,即如何为不透明或遮照材质实现折射和半透明。

slw_renderdocoutput.png

在进行列表中的第一项之前,你可以使用可选步骤下采样折射读取的场景颜色和深度缓冲区。这样可以加快渲染速度,但会使渲染在水面以下的对象外观略微模糊(或分辨率低)。

  1. 所有带有SingleLayerWater的对象都使用用户定义的材质渲染到GBuffer(包括深度)中。

  2. 运行计算着色器,根据GBuffer中的MaterialID对所有SingleLayerWater进行平铺分类。

  3. 生成的屏幕图块用于间接绘制屏幕空间反射(SSR)通道,该通道运行并输出到单独的缓冲区。

  4. 生成的屏幕图块再次用于运行间接绘制全屏通道,以便合成反射捕获、天空和水面上新计算的屏幕空间反射。

单层水低端系统和移动支持

对于低端系统和平台(例如移动设备和低端桌面),会使用替代渲染路径,跳过单层水的某些功能,以便提高性能。最简单的替代方法是,将材质还原为简单的半透明材质,没有体积积分或屏幕空间反射。

使用单层水材质输出

创建材质时,在 细节(Details) 面板中设置以下内容:

slw_materialsettings.png

  • 混合模式:不透明(Opaque)遮照(Masked)

  • 着色模型:SingleLayerWater

Single Layer Water Material 输出节点添加到材质图表。此输出表达式就光散射和吸收、各向异性或各向同性方向性(PhaseG)以及水面下表面上的颜色效果(例如焦散和阴影)定义了水的外观。

slw_materialoutputexpression.png

散射系数

散射系数 输入表示光在介质中的粒子(在本例中为水)上散射的速率。介质中发生的光散射量决定了介质中对象的光和颜色的情况。当穿过介质(如玻璃或一瓶水)的散射量较小时,介质看起来透明。光不会在介质中散射那么多,从而使光更容易穿过。在大量散射的情况下,光散射更多,从而阻止其穿过介质。这会导致介质看起来更浑浊或更不透明,如橙汁或牛奶。

散射量会影响光在介质中的传播方式,并直接影响对象在其体积内时物体的外观。例如,介质中有三个立方体(红色、绿色和蓝色),并且材质设置为仅散射蓝光,请注意与没有散射的材料(右)相比,散射的蓝光如何影响所有立方体的颜色(左)。

slw_material_bluelightscattering.png

slw_material_nolightscattering.png

介质中的蓝光散射

没有光散射

将此概念应用于默认的水材质,请注意与完全没有散射相比,应用一定散射量时的外观。当没有散射时,光不会以相同的方式反射或分散,因此立方体的可见位置比光散射时更深。

散射量越高,水看起来就越浑浊。光在介质中散射得更多,对象就下沉得越深,就越难看到它们。下面的示例演示了具有不同数量的光散射的效果,从较低的数量到非常高的数量渐进,然后到完全无法看到表面之下的立方体。

拖动滑块,查看不断增加的散射值如何增加散射效果:0.5、1、2、4、8、16、32

吸收系数

吸收系数 输入定义了光穿透水(或参与介质)体积的难易程度。每个颜色通道(RGB)或光的波长以不同的方式穿透水,有些穿透性会更好。当光被它所穿过的介质吸收时,就会消光,这意味着失去颜色。对象越是深度进入吸收系数高的介质,其颜色消散的可能性就越大。

吸收系数将控制哪些颜色的光在介质中可能被更快地吸收。小系数允许光轻松穿过介质,使外观更透明。当光源穿过介质时,大系数会更快地衰减光,使其看起来不那么透明。

下面的示例显示了三个立方体(红色、绿色和蓝色)移动到介质中更深的地方。当对这些原色(红色 = 0.0033、绿色 = 0.0016、蓝色 = 0.0011)使用中等吸收系数时,结果显示了每种颜色在深入介质中时如何消散。首先红色消失,然后是绿色,最后是蓝色。

使用与上述相同的值和设置以及默认水材质,三个原色立方体在浸入水中并向下深入时都会失去颜色。它们的颜色以相同的顺序消失。

使用默认水材质时,吸收系数值反向。值越大,颜色消失得越快。光穿过体积的距离用米的倒数表示,即1除以材质中的吸收距离。

采用的距离设置如下所示:

slw_absorptionmaterial.png

PhaseG函数

PhaseG 参数将控制光在水中散射的整体向前或向后方向。更具体地说,该参数将控制散射光相对于太阳方向的各向异性方向性。

PhaseG可以为正值或负值,其中正值会增加向(向前)太阳散射的光量,负值会增加从太阳(向后)散射的光量。根据当前视图和太阳在天空中的位置,这可以使水看起来更亮或更暗。

slw_phaseg_neg075.png

slw_phaseg_05.png

PhaseG:-0.75

PhaseG:0.5

当PhaseG值为0时,它的光方向性是各向同性的,这意味着光在所有方向上的散射都相同。

该相位函数使水的形状更明确,尤其是存在波浪时。这是因为在发生折射后,传播会改变方向,从而增加了通过水散射的光量变化。

水下的色度

水下的色度 输入将增加水下表面的亮度。这种类型的效果可用于你的材质中,能驱动焦散或阴影的明暗程度。

下图的对比展示了水下表面的可见焦散。

材质焦散:禁用

材质焦散:启用

这就是材质的视觉效果,在水材质上方可见。在水面下方移动不会改变水下表面的亮度,也不会在这些表面上实际投射焦散或阴影。

水不透明度

当通过材质设置使用单层水时,主材质节点上的 不透明度(Opacity) 输入将控制水的可见参数。不透明度的量将控制允许进入体积和散射的光量。它还将控制你可以通过体积看到多远。不透明度值越大越不透明,不允许光线穿透表面。较低的值允许所有光线穿过表面,因此你可以看到水中更远的距离。

如果不透明度低或没有不透明度,还允许单层水材质输出表达式的其他属性不受阻碍地运行。在下表中,水材质的不透明度值为没有、部分或最大允许有全部、部分光或没有光通过体积。完全不透明材质(不透明度 = 1)看起来是黑色,因为不允许光线通过表面散射到水中。

slw_opacity_0.png

slw_opacity_05.png

slw_opacity_1.png

水不透明度:0

水不透明度:0.5

水不透明度:1

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