《荒野大镖客2》的大气云雾技术
技术一直行业领先，但是一直低调的Rockstar，终于在SIGGRAPH 2019放了大，做了《荒野大镖客2》（大表哥2，Red Dead： Redemption II）中的大气云雾技术分享。 看得也是近几年最过瘾的一篇了，high点： 是发售游戏中实际使用的、完整的、系统化的技术合集 代表当前最强的大气系统 技术探索&整合nice，积累深厚，运用纯熟 理论、实际开发已经性能优化有很好的平衡，堪称R&D的典范 motivation & overview 这也是很多优秀工作室做事的一个方法，在处理开创性事情的时候，就会列出一些依据来进行“合理突破”。 这里笔者也是深有共鸣，是一个很有章法的做事方式。 Rockstar这里就包括： 
在《荒野大镖客1》中已经有了不错的大气系统，而且这个确实很重要，当然要在2中进一步发展。 受到一些名画的启发，笔者也是在看一些绘画，去一些景色壮观的地方都会带来很强的创作冲动（虽然我是写程序）。 以及基础的atmosphere scattering系统中，现在确实还有很多可以完善的地方。 通篇是分成data model、render、scene integration三个部分。 data model 
这部分是一个知难行易的模块，所以直接列下特性和做法。 云的分布 这块比较类似Horizon Zero Dawn的做法： https：//blog.csdn.net/toughbro/article/details/48844649 
使用分布图来定义云的整体分布： 
[ 出来效果这样的，同时可以有多层的云 ] 雾的分布 类似云的分布，雾也是有一个分布： 
[ 没有fog map的版本 ] 
[ 有fog map的版本 ] 云的形状定义 这块参考的15年的Horizon Zero Dawn的做法： https：//blog.csdn.net/toughbro/article/details/48844649 基本原理差不多，有一些自己的特色： 
这里定义云的形状： 1个lut定义云的厚度 1x3d noise，2x2d displacement 效果目测要比Horizon Zero Dawn的好一些。 render 接下来我们看第二部分，这部分主要谈渲染部分，包括scattering和lighting的render，相对内容也多一些。 可以说这部分是本篇重点所在。 
voxel+ray marching 
处理大气效果时候，为了兼顾近处的精度和场景的宏大，使用了混合方案： 近处使用voxelization的方式，得到高精度的渲染结果，reference了刺客信条的一个文章： https：//blog.csdn.net/toughbro/article/details/46706837 远处使用ray marching的方式，平衡效果和效率 光照模型 
这里最终的光照模型，使用这样的公式列出来，这个比较像大家所熟悉的PhysicallyBasedLighting中的macrofacet公式的模样，其中三项如下： P：phase的缩写，是光通过media时候的scattering的情况 V：visibility，我们可以近似理解成shadow类的东西 L：lighting，也就是光源，直接光，ambient lighting等等 phase项 
这里分成两个层级： 1、基础phase模型，是基于Henyey-Greenstein phase function（简称HG），这个模型对于single forward scattering处理的比较好。 2、多种scattering组合，基于上面的擅长处理single forward scattering的HG（heney-greenstein）模型。 3、==使用多级HG模型来模拟multi scattering 4、==使用一个clamp操作来模拟back scattering 这里稍微贴下HG模型的样子： 
这里g项是[-1，1]之间，代表从back scattering到forward scattering的情况，表示media的属性。 theta就是各个角度，phase function就是关于角度的函数么。 HG函数这部分还是比较物理的，但是multi scattering部分就是比较变通了，是多级HG来模拟multi scattering，各级之间的权重由美术定义。 然后给定g，关于theta就可以预计算出来，放到LUT（look up tabble）贴图中： 
最后放在一起的效果： 只有1级HG function的时候： 
2级HG function模拟multi scattering+back scattering： 
“physically based“的度和变通 这里也是涉及到一个“physically based“的程度问题，原则上我们是要physically based这样会尽可能的物理化，好处现在PBR已经论证的非常好了。 但是实际开发中，我们会遇到各种需要折中的地方，或许是物理模型不够好，或许计算过重等等。 这时候，none-physically-based就还是需要了，这时候建议是，尽可能在高层去做hack和变通，保持底层原子项部分的“physically based“正如phase function这里，底层是HG function，高层是美术来指定的函数。 visibility项 
这一项就是光照信息中间被遮挡的情况，和直接光照有点不一样的是，由于这个是一个scattering的过程，所以完整来讲是光线一路射过来中间每一步的visibility情况的叠加。 
落实到实际计算中，就是ray marching中间每一步的visibility情况的叠加。 这里visibility主要针对影响大的两个case：terrain、cloud来做计算。 terrain使用ray marching的方式构建一个shadowmap信息； cloud使用exponential shadow map的方式，来encode shadow map信息，来达到非常软阴影的信息，一共存了6mips（esm的使用在刺客信条的文章里也有）。 lighting项 
ambient lighting部分： 远处的ray marching部分，就是sky ambient，把sky scattering存到低精度的paraboloid贴图里面 近处的frustum voxelization部分，sky light+light probe lighting*AO 
local light 部分，直接就读light cluster volume。 
froxel froxel也是技术创造的名词：这个的缩写frustum voxel； 
也是用voxel的形式，存储低精度的场景volume信息，然后用于低频信息渲染，比如scattering； 《荒野大镖客2》中的存了三种信息： shadow material lighting （结合前两者来计算） 
shadow volume，注意这个不是阴影算法的shadow volume，就是存放shadow的volume信息，包括了普通shadow和cloud shadow； 中间使用了temperal filtering来处理稳定的问题； 
material volume，各种材质信息，也带上了wind交互等等（让我想起了战神的风力存在volume中）。 也有temperal filter。 ray marching 
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