Niebla volumétrica: integrar dispersión y transmitancia a lo largo del rayo de visión

Describe el medio antes de elegir el número de pasos

La niebla modifica la luz mientras esta atraviesa el espacio. La absorción elimina luz, la dispersión la redirige, y la extinción combina la absorción con la dispersión que saca la luz de la dirección de visión. La dispersión hacia esa dirección aporta luz visible, y una función de fase describe su distribución angular. Estas propiedades deben tener unidades y significados explícitos, en lugar de quedar ocultas dentro de una opacidad arbitraria por paso. La presentación original de Frostbite usa esta separación para unificar los efectos volumétricos. [2]

Acumula la luz con la transmitancia restante

Un rayo de visión reúne las contribuciones de segmentos sucesivos del medio. La luz de cada segmento debe atenuarse según el medio que hay entre ese segmento y la cámara. La superficie del fondo se multiplica por la transmitancia total antes de combinarse con la iluminación acumulada de la niebla.

Para una extinción homogénea, la transmitancia sigue T = exp(-sigma_t * distance), donde el coeficiente de extinción sigma_t se mide en longitud inversa. Las transmitancias de segmentos consecutivos se multiplican. [1] La iluminación entrante también necesita el sombreado y la atenuación adecuados antes de convertirse en una contribución de dispersión entrante (in-scattering): una luz intensa detrás de un muro sólido no debe iluminar a través de él la niebla que queda en medio.

Ejemplo práctico: cambiar los pasos no debe cambiar la densidad

Supongamos una extinción de 0.2 por metro en un intervalo uniforme de 5 metros. La transmitancia resultante es exp(-1), aproximadamente 0.3679, y la opacidad correspondiente es de aproximadamente 0.6321.

Dividamos el mismo intervalo en 5 segmentos de 1 metro. Cada segmento tiene una transmitancia de exp(-0.2) y su producto sigue siendo exp(-1). Esto ofrece una comprobación sencilla de la implementación: cambiar el número de pasos de integración debe conservar este resultado del medio uniforme dentro de la precisión numérica. En cambio, reutilizar una opacidad fija para cada paso nuevo alteraría la densidad aparente del medio. Con densidad e iluminación no uniformes, el error de integración aumenta además a medida que el muestreo se vuelve más grueso. [3]

Valida por separado la densidad, la iluminación y la composición

Empieza con un volumen absorbente uniforme y un fondo constante. Verifica la atenuación analítica y después añade una única luz y la dispersión. Inspecciona por separado la luz acumulada y la transmitancia. Detén el rayo visible en la superficie opaca que corresponda y prueba objetos que entran en el volumen y salen de él.

A continuación, añade variación de densidad y compara varios tamaños de paso. Una malla volumétrica puede compartir evaluaciones de iluminación entre rayos cercanos, como muestran las celdas alineadas con el frustum de Frostbite. [2] Su resolución espacial y el espaciado de la integración son decisiones de calidad independientes. Al cambiar cualquiera de las dos, mantén alineadas las propiedades muestreadas del medio y la iluminación.

Controla la aproximación y los artefactos de movimiento

Un muestreo escaso pasa por alto detalles estrechos de densidad o de sombra. La reutilización temporal puede reducir el ruido, pero las luces en movimiento y la niebla animada pueden dejar estelas. [2] Prueba cambios bruscos de iluminación y movimiento de cámara, no solo imágenes estáticas. Las aproximaciones de dispersión simple también omiten la dispersión múltiple, que importa en medios densos. Mide en conjunto la evaluación de la densidad, las consultas de luz y sombra, la integración y la reconstrucción, y elige una tolerancia de error adecuada al efecto.

Fuentes

• [1] Transmittance — Matt Pharr, Wenzel Jakob y Greg Humphreys, Physically Based Rendering.
• [2] Physically Based and Unified Volumetric Rendering in Frostbite — Sébastien Hillaire, presentación original publicada por Electronic Arts / DICE.
• [3] Volume Rendering Techniques — Milan Ikits, Joe Kniss, Aaron Lefohn y Charles Hansen, GPU Gems.