Объёмный туман: интегрирование рассеяния и пропускания вдоль луча взгляда

Опишите среду до выбора числа шагов

Туман меняет свет при его распространении в пространстве. Поглощение удаляет свет, рассеяние меняет его направление, а экстинкция объединяет поглощение и рассеяние из направления взгляда. Рассеяние в это направление добавляет видимый свет. Фазовая функция описывает его угловое распределение. У этих свойств должны быть явные единицы и смысл, вместо сокрытия в произвольной непрозрачности одного шага. Исходная презентация Frostbite использует такое разделение для объединения объёмных эффектов. [2]

Накапливайте свет с учётом оставшегося пропускания

Луч взгляда собирает вклады последовательных сегментов среды. Свет каждого сегмента должен ослабляться средой между ним и камерой. Значение фоновой поверхности умножается на суммарное пропускание, а затем объединяется с накопленным освещением тумана.

При однородной экстинкции пропускание равно T = exp(-sigma_t * distance), где коэффициент экстинкции sigma_t измеряется в обратных единицах длины. Пропускания последовательных сегментов перемножаются. [1] Приходящему освещению также нужны соответствующее затенение и ослабление до превращения во вклад рассеяния к наблюдателю: яркий источник за сплошной стеной не должен освещать туман перед ней сквозь эту стену.

Пример расчёта: изменение шагов не должно менять плотность

Пусть экстинкция составляет 0.2 на метр в однородном интервале длиной 5 метров. Итоговое пропускание равно exp(-1), приблизительно 0.3679. Соответствующая непрозрачность составляет примерно 0.6321.

Разделите тот же интервал на 5 сегментов по 1 метру. Пропускание каждого сегмента равно exp(-0.2), а их произведение по-прежнему равно exp(-1). Это простая проверка реализации: изменение числа шагов интегрирования должно сохранять результат для однородной среды в пределах численной точности. Повторное использование фиксированной непрозрачности на каждом новом шаге изменило бы видимую плотность среды. Неоднородные плотность и освещение добавляют ошибки интегрирования при более редкой выборке. [3]

Отдельно проверяйте плотность, освещение и композицию

Начните с однородного поглощающего объёма и постоянного фона. Проверьте аналитическое ослабление, затем добавьте один источник света и рассеяние. Отдельно осмотрите накопленный свет и пропускание. Останавливайте видимый луч на соответствующей непрозрачной поверхности и проверяйте объекты, входящие в объём и покидающие его.

Затем добавьте изменение плотности и сравните несколько длин шага. Объёмная сетка позволяет совместно использовать расчёты освещения для соседних лучей, как показывают ориентированные по пирамиде видимости ячейки Frostbite. [2] Её пространственное разрешение и интервал интегрирования — разные параметры качества. При изменении любого из них сохраняйте согласованность выборок свойств среды и освещения.

Контролируйте приближения и артефакты движения

Редкие выборки пропускают узкие детали плотности или теней. Временное повторное использование может уменьшать шум, но движущиеся источники и анимированный туман способны оставлять шлейфы. [2] Проверяйте резкие изменения освещения и движение камеры, а не только неподвижные изображения. Приближения однократного рассеяния также не учитывают повторное рассеяние, значимое в плотных средах. Измеряйте совместно вычисление плотности, запросы света и теней, интегрирование и реконструкцию; выбирайте допустимую ошибку в соответствии с эффектом.

Источники

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