Rendering realistycznej wody jako efekt post-process Wojciech Toman

Omawiane zagadnienia Podstawowa teoria dotycząca wody Dotychczasowe podejście do renderingu wody Rendering przy wykorzystaniu prezentowanej techniki Wady i zalety prezentowanego rozwiązania Demo i rezultaty

Rendering realistycznej wody jako efekt post-process Podstawowa teoria dotycząca wody

Podstawowa teoria dotycząca wody Wady istniejących modeli formalnych Żaden nie jest adekwatny Zbyt duża złożoność obliczeniowa do zastosowania w grach Konieczność znalezienia innego rozwiązania Symulacja rozchodzenia się fal np. za pomocą FFT (Fast Fourier Transform) Prawdziwy i postrzegany kolor wody Zjawisko odbicia i załamania światła Zanik barw wraz z głębokością

Prawdziwy i postrzegany kolor wody Skład chemiczny wody i dna Obecność materii organicznej (np. glony, plankton, szczątki) oraz nieorganicznej (np. skały, wraki) Kolor nieba i pora dnia Prawdziwy kolor – czysta woda bez dodatkowych związków chemicznych – lekko niebieski, nie biały/przezroczysty

Zjawisko odbicia i załamania Promień światła padając na granicę ośrodków ulega odbiciu i załamaniu: promień światła wektor normalny promień załamany promień odbity ośrodek A ośrodek B α

Zjawisko odbicia i załamania Zależność Fresnela: Mówi jaki stopień padającego światła ulega odbiciu a jaki załamaniu i transmisji przez ośrodek Prawdziwa tylko dla dwóch ośrodków o różnej gęstości Układ „powietrze – woda” spełnia te warunki Układ „powietrze – szyba” nie (w rzeczywistości trzy ośrodki) Indeks załamania dla wody: IOR = 1,33333

Zjawisko odbicia i załamania Wzór Fresnela: Gdzie: Zbyt skomplikowany by liczyć go per-pixel Niemal doskonała aproksymacja: Często stosowana w praktyce R(0) jest stałą

Zanik barw wraz z głębokością Założenie: woda jest jednorodna na całej głębokości Duże uproszczenie, ale wystarczające dla naszych potrzeb - powyżej powierzchni wody jest to niezauważalne Światło widzialne zanika liniowo wraz z głębokością Tempo zaniku jest inne dla każdej składowej światła widzialnego, co wynika z różnych długości fal Najważniejszy czynnik wpływający na kolor wody obok rozpraszania światła przez cząsteczki zawarte w wodzie Nie wpływa na prawdziwy kolor wody Ciekawostka: podczerwień i ultrafiolet zanikają praktycznie przy powierzchni wody

Zanik barw wraz z głębokością w rzeczywistości

Zanik barw wraz z głębokością w przypadku grafiki komputerowej

Rendering realistycznej wody jako efekt post-process Dotychczasowe podejście do renderingu wody

Dotychczasowe podejście do renderingu wody Normal-mapping z odbiciami i refrakcją Wykorzystuje geometrię w postaci płaszczyzny Nadaje się tylko do prezentacji jezior – woda jest tylko „pomarszczona” Projected-grid lub vertex texture fetch Wykorzystuje gęstą siatkę wierzchołków Możliwość uzyskania realistycznych i wysokich fal przy odpowiednio gęstej siatce

Wady klasycznych rozwiązań „Ostre” brzegi – nierealistyczne przejście między powierzchnią wody a lądem Nie istnieją w naturze bez względu na gęstość cieczy Nierealistyczny zanik barw wraz z głębokością Brak informacji o głębokości akwenu Dla uzyskania dobrej jakości fal wymagana jest gęsta siatka wierzchołków Brak elastyczności Zalecane stosowanie technik LOD

Rendering realistycznej wody jako efekt post-process Rendering przy wykorzystaniu omawianej techniki

Rendering przy wykorzystaniu prezentowanej techniki Cel: Wyeliminować problemy wymienione wcześniej Uzyskać efektywne i elastyczne rozwiązanie Sposób realizacji: Woda rysowana jako efekt post-process Fale Wyznaczenie wektorów normalnych Odbicie i załamanie światła Odblaski od światła globalnego Zanik barw wraz z głębokością Piana

Woda rysowana jako efekt post-process Całkowity brak geometrii Dostępne dane o głębokości akwenu w dowolnym jego punkcie Naturalne podejście w przypadku deferred shadingu Możliwość wykorzystania również w przypadku forward renderingu

Fale Operując na buforze geometrii, dokonujemy faktycznej modyfikacji geometrii Można zmienić każdy obiekt lub utworzyć całkowicie nową „geometrię” Tekstura przechowująca dane o położeniu może być traktowana jako tekstura głębokości akwenu Algorytm polega na wytłoczeniu fal w kierunku patrzenia poprzez śledzenie promieni

Fale - algorytm Dla każdego punktu wody wykonywanych jest n iteracji W każdej z nich height-mapa jest samplowana Fale są wytłaczane w kierunku patrzenia o pobraną wartość Modyfikacji ulega aktualna wysokość lustra wody Znajdowane jest przecięcie pomiędzy aktualnym lustrem wody a wektorem patrzenia – wynik to nowe koordynaty tekstur do samplowania height-mapy

Wyznaczenie wektorów normalnych Brak wektorów normalnych! Liczymy je tak jak dla terenu: N = {w – e, 2d, s – n} w, e, s, n – wartości pobrane z height-mapy dla sąsiadów Normal-mapping Brak wektorów binormalnych i stycznych Można je wyznaczyć w sposób przybliżony w pixel shaderze Kilkanaście dodatkowych instrukcji Znaczny wzrost jakości wody Kilkukrotne samplowanie mapy normalnych pozwala uzyskać małe i duże fale interferujące ze sobą Zgodne z naturą Dalszy wzrost jakości wody

Wyznaczenie wektorów normalnych Wyznaczenie tangent-frame (sposób autorstwa Schulera): gdzie: Normal – wektor normalny, wektor wyznaczony przed chwilą, Position – pozycja punktu w przestrzeni świata, UV – koordynaty tekstur. float3x3 compute_tangent_frame(float3 Normal, float3 View, float2 UV) { float3 dp1 = ddx(View); float3 dp2 = ddy(View); float2 duv1 = ddx(UV); float2 duv2 = ddy(UV); float3x3 M = float3x3(dp1, dp2, cross(dp1, dp2)); float2x3 inverseM = float2x3(cross(M[1], M[2]), cross(M[2], M[0])); float3 Tangent = mul(float2(duv1.x, duv2.x), inverseM); float3 Binormal = mul(float2(duv1.y, duv2.y), inverseM); return float3x3(normalize(Tangent), normalize(Binormal), Normal); }

Odbicie i załamanie światła Odbicie musi zostać wyrenderowane do tekstury w sposób klasyczny Zastosowanie płaszczyzny przycinania Dla załamania można wykorzystać zawartość bufora ramki Wiele efektów post-process tę informacje wykorzystuje Niewielki wpływ na jakość Pozwala uniknąć renderingu do kolejnej tekstury

Odbicie i załamanie światła Rendering odbicia: lustro wody wektor forward zmodyfikowany wektor forward H

Odblaski Jedynie od słońca Woda ma bardzo wysoką połyskliwość Brak pozostałych jest mało zauważalny Woda ma bardzo wysoką połyskliwość Bardzo dobre wyniki dla następującego kodu: half3 mirrorEye = (2.0 * dot(eyeVecNorm, normal) * normal -eyeVecNorm); half dotSpec = saturate(dot(mirrorEye.xyz, -lightDir) * 0.5 + 0.5); specular = (1.0 - fresnel) * saturate(-lightDir.y) * ((pow(dotSpec, 512.0)) * (shininess * 1.8 + 0.2)); specular += specular * 25 * saturate(shininess - 0.05);

Zanik barw wraz z głębokością Dwa zjawiska Zanik koloru wraz z głębokością Zanik koloru wzdłuż wektora patrzenia – przejrzystość (widoczność) pozioma Trzy składowe r, g, b: Przykładowy wektor zaniku: [4.5; 75; 300] Prawidłowy dla czystych wód Dla jezior, rzek wymagana jest jego modyfikacja (np. [5; 40; 30]), aby dominował kolor zielony Pominięcie pozostałych składowych nie pogarsza końcowego efektu

Zanik barw wraz z głębokością Uwzględnienie prawdziwego koloru wody: Gdzie: surfaceColor – kolor powierzchni (prawdziwy kolor wody), depthColor – kolor głębi. Zwykle czarny. Jeśli jest szary woda będzie przypominała mętną, wykorzystaniu akumulacji wody A – ilości wody przez którą przechodzi promień światła wprowadzeniu widoczności poziomej visibility. Im mniejsza wartość tego parametru tym woda będzie mniej przejrzysta. Uzyskany kolor to ostateczny kolor dla załamania światła

Ostateczny kolor wody Zmieszanie refrakcji i odbić w stopniu określonym przez wartość z zależności Fresnela Dodanie odblasków do wyniku Ponowne zmieszanie koloru z refrakcją w stopniu określonym przez akumulację wody Zapewnia miękkie brzegi

Aktualny wygląd wody Woda po dodaniu opisywanych elementów. Woda wygląda dobrze, ale nadal nie idealnie

Piana Powstająca przy brzegu Występuje pomiędzy głębokościami 0, a H1. Od H1 do H2 całkowicie zanika. Powstająca na szczycie wysokich fal w wyniku ich załamania Gdzie: H – aktualna wysokość ponad poziomem bazowym wody H0 – wysokość, na której pojawia się piana Hmax – maksymalna wysokość, do której pojawia się piana Zapewnia interakcję pomiędzy sceną a wodą Obiekty wpadające do wody powodują pojawienie się piany Fale „rozbijają się” o skały i brzeg

Piana Dodanie piany wydatnie polepszyło jakość wody, a ponadto sprawiło że obraz stał się cieplejszy

Rendering realistycznej wody jako efekt post-process Wady i zalety

Wady Dodatkowo zwiększa fill-rate Woda nie najlepiej wygląda przy ostrych kątach Światła lokalne nie wpływają na wygląd wody

Zalety Model oparty głównie na obserwacji Uzyskano rozwiązanie elastyczne – można uzyskać wody od mętnych jezior po krystaliczne morza tropikalne Położenie i rozmiar akwenu można opisać w pixel shaderze Wyeliminowana większość wad typowych rozwiązań

Rendering realistycznej wody jako efekt post-process Demo i rezultaty

Demo i rezultaty Dostępne na: Pełny kod źródłowy http://wojtektoman.blogspot.com http://www.gamedev.pl http://www.youtube.com/wtoman - kilka filmów prezentujących wodę Pełny kod źródłowy Implementacja w HLSL + DirectX 9.0 Wykorzystuje mój prywatny framework

Rezultaty Przykładowa scena uzyskana za pomocą przedstawionej techniki. Obszary o głębszej wodzie są wyraźnie ciemniejsze (granatowe). Tam gdzie jest płyciej woda jest turkusowa

Rezultaty Przykładowa scena uzyskana za pomocą przedstawionej techniki. Przy brzegu widać zanik światła i szybkie przejście do głębi

Rezultaty Rozwiązanie jest na tyle elastyczne, że pozwala osiągnąć również wodę, która będzie przypominała nieco mętną

Rezultaty Woda wygląda również realistycznie o innych porach dnia – odbicia od nieba i chmur są prawidłowe, a ponadto fale z tej odległości i pod tym kątem są niezauważalne