如何在手机上做出了主机级别的天气系统
在2022年的GDC大会上，魔方工作室群引擎中心的引擎专家陈家铭和引擎程序员应若晨，分享了他们如何做出《暗区突围》中主机级别的实时演算天气系统，你可以通过以下文稿进一步了解，内容由游戏葡萄整理：
各位好，我们是腾讯游戏魔方工作室群引擎中心的陈家铭和应若晨。今天，我们想分享关于魔方工作室即将推出的手机游戏《暗区突围》中的天气系统。从下面的视频中能看到，我们的天气系统支持实时体积云和大气散射，而不是静态的天空盒。
https://www.zhihu.com/video/1517545785524273152
首先，我们会讲解动态大气散射和体积云的相关细节，以及将它们带到移动设备上的优化。之后我们将分享一些相关的天气效果，和天气系统的设计思路。
1 低开销的动态天空渲染方案
天空的大气散射是一个复杂的过程，涉及到很多物理计算，因此我会试着用简单的方式来解释。
我们的大气由不同大小的粒子或分子所组成，天空的颜色是由这些粒子对太阳光的各种散射决定。
为了渲染出大气散射效果，我们一般需要在视点以光线行进计算每个采样点所接受的散射，然后计算它们的积。然而，这方法的计算量在游戏和实时应用上很难实现。
UE的大气散射优化
先让我们来看看Unreal Engine中的 SkyAtmosphere 方案，它使用了一系列查找表（Look up Table，LUT)来减少计算量。具体而言，UE 在每一帧中使用计算着色器生成4个基本的LUT，分别为透光度LUT、多重散射LUT、天空视图LUT和大气透视的3D LUT。
它不但基于物理，对美术也比较友好，同时在中高端移动设备上也能有良好的性能。但是老的设备带宽非常有限，负担不起每帧更新这么多的LUT。所以我们对UE的 SkyAtmosphere 做了一些优化:
首先，我们舍弃了大气透视数据，使用高度雾来代替它。舍弃掉这个数据后，所有剩余的LUT都是2D的，因此我们现在可以使用像素着色器来更新它们——这非常重要，因为许多移动设备仍然不支持计算着色器。
因为《暗区突围》局内的时间变化比较慢，所以我们分帧计算每个LUT，每帧只计算很少量的像素，在低端设备上也能承受。
为了进一步优化，我们将天空视图LUT 以半八面体参数化，并丢弃地平线以下的内容。这不仅节省了50%的光线行进计算量，也省了查找天空视图LUT时调用昂贵的平方根指令。
以下是原始版本和优化版本在一天中3个不同时段的比较。可以看到太阳周围有一些偏差，但这在游戏中不太容易看到。
而且如下图所示，优化后的天空在渲染性能上有显著提升。从原始的1.35毫秒到优化后0.77毫秒，半八面体投影节省了将近40%的GPU时间。
天气亮度与大气散射
美术有时需要将天空变暗，以获得更戏剧性的效果，很有可能他们会直接调整阳光亮度，但这不仅在物理上不正确，而且对我们的优化也不友好，会导致画面闪屏——天空颜色就像在一帧帧卡顿地变化。
https://www.zhihu.com/video/1517546741566365696
我们的建议是先以固定的太阳亮度算出 SkyViewLUT，然后新增一个单独的美术乘数来调整最终亮度。如此操作，变暗的卡顿感消失了，我们也因此得到了更合理的散射结果。
https://www.zhihu.com/video/1517547080839458816
2 体积云的实现
在游戏中，体积云的实现，可以归纳为这样几个问题：
[*]如何对云建模。我们需要一些方法，来定义云层各处的云的密度。
[*]如何计算光在其中的传播。特别是对于云这样的白色散射介质，光线可以在其中多次反弹，比普通的表面物体更难计算。
[*]这种Raymarching方法一般很昂贵，我们如何让它在手机上运行。
云建模
首先是如何对云建模：
我们使用Worley噪声制作3D噪声纹理，将它平铺在天空中，就可以定义基本的云密度。
我们会使用基础和细节2层噪声，最终的噪声是通过基础噪声减去细节噪声得到的。细节噪声会平铺更多次，这样我们不需要特别高的分辨率，就可以获得足够的细节。
但是仅仅这样，它们不足以创造覆盖整个天空的云景。
于是我们引入了一张2D的Weather Map。在我们的系统中，Weather Map是由Cloud Mask组成的。每个Cloud Mask都有一个材质来指定绘制内容。
例如在下图中，你可以看到我正在拖动一个Mask。这个Mask的材质输出一个白色的Sphere Mask——因为白色意味着更高的覆盖率，因此那里的云变得更密集。我们也可以输出黑色，则该位置的云将被擦除。
为了方便控制不同天气下的云层，我们有两个全局参数：全局云覆盖率和全局云类型。这两个值将作为材质参数传递给Cloud Mask，并更改绘制内容。
除了Weather Map外，我们还用到一个称为Cloud Profile的纹理。
在现实生活中，不同类型的云在不同的高度有不同的形状。因为Weather Map只描述了XY平面的信息，所以我们需要使用Cloud Profile描述每种云在不同高度的形状。
我们使用了UE4中内置的曲线工具，借此可以在编辑器中轻松地创建Cloud Profile贴图。上图是这个工具的样子，我们能看到每个参数都是一条曲线，其中x是归一化高度，Y是它的值。
云光照
云的光照有5个部分：单次散射、多重散射、全局光、大气透视、自发光。
因为性能限制，我们没有计算大气透视，游戏中使用的其实是一个简化的计算，因此不会在这里讨论。此外自发光也比较简单，这里不作讨论。
[*]单次散射
对于单次散射，我们通过太阳光、阴影和相位函数相乘来计算能量。
在阴影采样时，我们也不考虑细节噪声，并且在每一步上使用更高LOD。对于相位函数，我们用一个经典的方法，通过混合两个HG函数作为最终相位函数。
天空环境光比较简单，只是根据采样点高度计算颜色。云越高，天空环境光越亮。这其实是UE4中的方法，我们发现它很好用。
下面是开关天空环境光的效果对比。我们发现，如果没有环境光，云体有很大部分阴影的时候，很难分辨形状；而开启环境光后，云在阴影部分添加了漂亮的蓝色色调，造型就清晰多了。
[ 上：无天空环境光 下：开启天空环境光 ]
我们还有一个地面环境光，用于来模拟地面反射的光线。这是以同样的方式计算的，但是把高度参数反转，这样越低的云层受光越强。
地面环境光的颜色是通过将地面视为纯色的Lambert表面，计算主光源的反射得到的。
这里我们可以看到没有地面环境光时，云的底部比较暗。而打开地面环境后云的底部变亮，更接近我们在日常生活中的感觉。
[ 上：无地面环境光 下：开启地面环境光 ]
[*]多重散射
多重散射指的是光子在云中弹射了不止一次。模拟多重散射对于正确的外观非常重要——云看起来这么白，就是因为当光束击中云粒子时，大部分会被弹开并继续进入云内，而不是被吸收。
特别是在云层深处，多重散射对外观的贡献会变得更加明显。这让云有一些反直觉的效果，比如这张照片中，云的内部比外部更亮，就是因为其内部的多重散射更加明显。
为了模拟这种效果，首先，我们参考了在寒霜引擎中的方法来计算一个大致的多重散射的强度。这个方法可以以较少的开销完成一个近似的多重散射的计算。
[ 这是没有多重散射的效果，因为光线无法到达云层深处，云看起来更像烟。 ]
[ 这是在有多重散射的情况下，云层的整体亮度更准确，更像现实生活中的云。 ]
接下来我们参考地平线的方案，添加了暗边的效果。注意下图中圆圈的部分，在没有添加暗边效果之前，我们很难辨别这些部分的形状；
但是加上了这个效果后，这部分就有了更多的细节。
体积云性能优化
基于Raymarching的体积云，在它的每一步都涉及大量的计算。我们一般需要至少每条光线64步，每一步都涉及许多纹理读取和ALU指令。在手机上，这样的计算量难以取得较好性能，以满足我们渲染天空的预算要求。
我们的方案是，使用半八面体映射，把Raymarching的结果缓存在一个512 x 512的2D纹理中。由于天气以及太阳方向在我们的游戏中变化较慢，因此我们可以将缓存分多帧更新；
另外，我们需要两张RT，一张用于渲染天空，一张用于分帧的Raymarching，并且在Raymarching完全结束时交换两张RT。
这么做的优点是什么？
[*]我们可以把缓存在任何动态反射效果中重复使用。例如《暗区突围》使用了平面反射，天空在水中的倒影不需要再做额外的Raymarching。
[*]云的运动在八面体空间中相对较慢，可以与重投影技术很好地结合。
同时，为了有效地限制计算量，以避免移动端的GPU过热。我们采用了以下策略：
1.棋盘渲染技术。这个技术有助于节省每帧需要计算的 50% 的光线。
下面的图片展示了棋盘格式更新的效果。
2.切片。我们通过将RT分成4-16个切片，我们每帧仅更新一个切片，来实现分帧更新。
然而，切片也会导致云在移动时看起来较为卡顿。为了解决这个问题，我们可以插值缓存的采样方向。
https://www.zhihu.com/video/1517548465671933953
例如，云分4帧从A移动到B点，假设我们在当前帧中查看B点，我们现在比上次更新周期过了1帧。由于云的移动量是已知的，因此我们可以向后追溯并找到点C，从视点到C的方向将是重新投影的方向。
下面的图片展示了插值后的效果。
https://www.zhihu.com/video/1517548670648381440
3.时序升采样。如前所述，不加优化的话，我们在Raymarching时可能需要64步才能有较好的效果。所以我们想稍微优化一下，节省GPU 预算给其他效果。因此我们采用类似于 TAA 的技术，在每一帧中，我们对每条光线的起始点应用一个全局偏移。并且将结果和之前帧的结果混合，来得到最终结果。
我们还使用了重投影，来减少云在快速移动时产生的“鬼影”问题。
[ 无重投影，可以看到云层移动时重叠的“鬼影” ]
[ 重投影开启，“鬼影”情况大大减少 ]
4.压缩最小化内存存储和带宽。我们还使用了一些方法，来压缩体积云的存储大小。
通常我们使用半浮点型来存储射线行进结果，单张512 x 512的RT需要2MB，这对于主流设备来说是可以接受的，但是在旧设备上还是有优化空间，因此我们想尝试支持使用RGBA8的格式。
最终，我们将散射的结果除以相位函数，并且预计算一个曝光值来降低整体亮度，以及Gamma压缩等方法，成功将贴图压缩进了RGBA8的格式里。
5.可扩展性和性能。下面是在iPhone 11上测试的不同设置的一些性能。
可以看到在优化前，iPhone11需要大概10ms来完成一帧的更新。而在开启切片、时序升采样等优化后，我们可以将开销控制在1ms以内。
3 暗区突围中的动态天气效果
下面让我们来看看《暗区突围》项目中的一些动态天气效果。
云影
因为我们将体积云的结果保存在RT中，所以我们可以通过一些简单的计算，把结果投射在地面上，做出云影效果。
它的实际效果如下面的视频。
https://www.zhihu.com/video/1517549421798072320
雨
这是我们在编辑器中录制的一个短片。它包含雨滴粒子和湿润效果，雨本身是用粒子渲染的。
湿润效果通过调整材料参数来达成，参考了Waylon的方法。遮挡贴图则使用了CSM Scrolling技术，来支持快速更新遮挡贴图。
然而这些细节仍然需要持续的打磨和优化。比如遮挡采样开销过高，没有太阳光和AO的情况下，场景显得太平等等，还需要更多的优化。
https://www.zhihu.com/video/1517549570732683265
闪电
接下来是闪电，我想分享一些在实时渲染中制作真实闪电的关键点。
下面的动画来自YouTube上一个名为the slomo guys的频道，它清楚地显示了一次完整的打雷的过程。
现实生活中的闪电，有三个阶段：
[*]Lightning Leader。这是一条像蜘蛛网一样的路径，从云端延伸到地面。实际上肉眼是几乎看不见这个现象的，因为它太快了。但这很酷，所以我们决定实现它。
[*]Return Stroke。当Lightning Leader到达地面时，就产生了我们所说的“闪电通道”。巨大的电流从中穿过，把空气加热到非常高的温度，出现闪电和雷声。
[*]Re-Strike。在Return Stroke之后，可能会有若干次Re-Strike。Re-Strike沿着同样的通道发生，通常比Return Stroke小，平均发生3到4次，产生闪烁的效果。
为了创造闪电，我们需要对它建模。这里我们使用分形算法，来创建闪电通道。
算法本身很简单，就是不断地分裂线段，每次分裂时偏移中间的节点。
在分裂一段节点时，随机地创建当前节点到末端的新线段，并且把它旋转一定角度，即可得到分支的效果。
然后，我们将结果转换为四边形组成的网格，同时用顶点颜色存储一些信息，来模拟从云层到地面的生长动画。
这是它最终动起来的效果。我减慢了Lightning Leader的速度，这样我们就能看得更清楚了。
这是它在游戏中的样子。
https://www.zhihu.com/video/1517549904986038272
场景是通过直接增强主光源亮度来模拟闪电的光照的，强度则基于相机和闪电之间的距离计算。灯光方向不会变化，因此物体的影子并不正确。但是闪电发生得很快，所以也不是特别明显。
为了照亮云层，我们计算云和闪电的距离。云的位置是通过和云层求交来计算的，因此结果不是百分之百准确，但对于移动端来说已经足够了。
4 创作工具
接下来的部分，我想分享一些在我们的系统中关于用户体验和软件工程的东西。
天气创作
首先是我们如何在我们的系统中定义一个天气。
一般的想法是，我们可以有一个天气参数的结构体，里面包含了太阳强度、云量、雾密度等。这样不同的天气就是一组不同的值。
但是在我们的实现中，我们希望用户可以拥有最大的灵活度，所以我们避免了这样的硬编码。
在我们的系统中，用户可以使用UE的Level Sequence工具，直接将任何属性添加到系统中。系统将基于一天中的时间或太阳角度，来采样该Sequence，这样我们就可以让天气参数跟着时间变化。
并且，我们允许多个Sequence同时生效，多个Sequence之间有叠加顺序，较高Sequence中的值将覆盖较低Sequence中的值。同时每一层都有一个不透明度，通过控制不透明度值，可以控制Sequence的强度，就像Photoshop中的图层一样。
这样一来，用户可以将不同的天气元素参数，组织在不同的Sequence中。并且通过不同的不透明度组合出最终的天气。
举例来说，一个晴朗的天气的预设，它保存的不透明度可能是，基础层是1，云是0，雾是0.2等等。
我们再做一个叫做多云的预设，它的云、雾两个Sequence的不透明度较高；再做一个叫做雨天的预设，它的雨层会有一定不透明度。
Gameplay逻辑最终看到的就是这些预设，如果Gameplay要求改变天气，系统就只是在这些不透明度值之间过渡。
天体系统
接下来是天体系统，它帮助我们定位太阳、月亮或天空中任何东西。
这个系统允许你为场景定义时间和地理属性，包括一天中的时间、一年中的时间、时区、纬度和经度等。有了这些设定后，该系统可以根据天体属性，自动将它定位到正确的位置。
图像参考捕获
这个功能允许你把摄像机放在关卡的任何地方，只需轻轻一点，系统就会遍历时间和天气，渲染成图像并进行保存。同时它还支持立方体贴图和HDR格式。这样，美术可以更方便地迭代天气效果。
建议
最后是一些实现类似的天气系统插件的建议。
因为每个项目都有自己非常具体的需求。例如，并不是每个项目都需要体积云或者基于物理的大气。而且有些项目可能对材质有一些特殊的要求等等。
因此最好不要尝试做一个开箱即用的解决方案，否则类似的需求使得你必须为每个项目创建分支。在虚幻引擎中，材质和蓝图很难管理，因为它们是二进制的，维护多个分支会很麻烦。
我们最终使用了一个方案，尽可能的去解耦所有的功能，包括把所有的功能特性都分成Actor、Component或Material Function。用户可以在蓝图编辑器或材质编辑器中组装这些功能。
这样做，虽然让用户在早期带来了多一点的设置工作，但将来会少很多麻烦。
我们分享了在我们的天气系统中，如何渲染真实的天空，以及一些基本的天气效果，但这不是终点。我们也在致力于打造动漫风格的天气系统。并研究如何将把更极端的天气条件，如暴风雪，沙尘暴移植到移动端实现。
最后，我们要感谢魔方和魔方引擎中心为我们提供的支持与帮助。
结语
随着玩家对于手游体验阈值的提高，如何在手机端有限的性能下，实现贴近于主机级体验，是极为重要的命题。对战中的玩家可能不会注意到天空中云的流动与光线细微的差异，但正是这些对真实世界细节的还原，让暗区更真实、更沉浸、更硬核。 这个很全面了[赞同] 优化鬼才 云很好看，场景效果做得很一般，有一种这场景不配拥有这个云的感觉
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