Fog volumétrico: integre espalhamento e transmitância ao longo do raio de visão

Descreva o meio antes de escolher o número de passos

O fog altera a luz enquanto ela atravessa o espaço. A absorção remove luz, o espalhamento (scattering) a redireciona, e a extinção combina a absorção com o espalhamento para fora da direção de visão. O espalhamento para dentro dessa direção contribui com luz visível, e uma função de fase descreve sua distribuição angular. Essas propriedades devem ter unidades e significados explícitos, em vez de ficarem escondidas em uma opacidade arbitrária por passo. A apresentação original do Frostbite usa essa separação para unificar efeitos volumétricos. [2]

Acumule a luz com a transmitância restante

Um raio de visão reúne as contribuições de segmentos sucessivos do meio. A luz de cada segmento deve ser atenuada pelo trecho do meio entre esse segmento e a câmera. A superfície de fundo é multiplicada pela transmitância total antes de ser combinada com a iluminação acumulada do fog.

Para extinção homogênea, a transmitância segue T = exp(-sigma_t * distance), com o coeficiente de extinção sigma_t medido em comprimento inverso. As transmitâncias de segmentos consecutivos se multiplicam. [1] A iluminação incidente também precisa de sombreamento e atenuação adequados antes de se tornar uma contribuição de in-scattering; uma luz forte atrás de uma parede sólida não deve iluminar, através dessa parede, o fog que está no caminho.

Exemplo prático: mudar o número de passos não pode mudar a densidade

Suponha uma extinção de 0,2 por metro em um intervalo uniforme de 5 metros. A transmitância resultante é exp(-1), aproximadamente 0,3679. A opacidade correspondente é aproximadamente 0,6321.

Divida o mesmo intervalo em 5 segmentos de 1 metro. Cada segmento tem transmitância exp(-0.2), e o produto continua sendo exp(-1). Isso dá uma verificação simples para a implementação: alterar o número de passos de integração deve preservar esse resultado do meio uniforme, dentro da precisão numérica. Reutilizar uma opacidade fixa em cada novo passo, ao contrário, mudaria a densidade aparente do meio. Densidade e iluminação não uniformes introduzem erro de integração adicional à medida que a amostragem fica mais grosseira. [3]

Valide densidade, iluminação e composição separadamente

Comece com um volume absorvente uniforme e um fundo constante. Verifique a atenuação analítica e depois adicione uma única luz e o espalhamento. Inspecione a luz acumulada e a transmitância em separado. Interrompa o raio visível na superfície opaca correspondente e teste objetos que entram no volume e saem dele.

Em seguida, adicione variação de densidade e compare vários tamanhos de passo. Uma grade de volume pode compartilhar avaliações de iluminação entre raios próximos, como mostram as células alinhadas ao frustum do Frostbite. [2] A resolução espacial da grade e o espaçamento da integração são escolhas de qualidade independentes. Ao alterar qualquer uma delas, mantenha alinhadas as propriedades do meio amostradas e a iluminação.

Controle as aproximações e os artefatos de movimento

Amostras esparsas deixam passar detalhes estreitos de densidade ou de sombra. A reutilização temporal pode reduzir o ruído, mas luzes em movimento e fog animado podem deixar rastros. [2] Teste mudanças bruscas de iluminação e movimento de câmera, não apenas imagens estáticas. As aproximações de espalhamento simples também desconsideram o espalhamento repetido, que importa em meios densos. Meça em conjunto a avaliação de densidade, as consultas de luz e sombra, a integração e a reconstrução, e escolha uma tolerância de erro adequada ao efeito.

Fontes

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