故乡的云

我喜欢在游戏里面看夕阳。

残阳如血，看云卷云舒，特别减压。

来自利维亚某不知名的名侦探

未来如果真的有元宇宙，希望能在遥远的异乡戴上VR看一下午故乡的云，希望这云能来带故乡泥土的芬芳。

学习过games104之后，也听说了许许多多的现有方案：片面云、体积云、模型云等等，抛去这些术语，回到初始的目标：云要怎么渲染呢？

云有特别的视觉表现，与金属、木头等等固体的渲染表现差距很大，直觉上来看与使用Blinn-Phong、Mircrofact这样的表面反射模型来描述的材质有很大差距。

云有“气体”的感觉，我们似乎需要一种新的模型，能够像描述塑料或金属那样，对“云”这种材质进行描述。

王希老师说“凡事不定上拟合”，那么要拟合出云的材质就需要先解决一个问题：云 是什么？是什么样的内部结构构成了这种材质？

材质建模

高中物理书上说 “云是空气中凝结的水滴集合体”。

云中包括了水滴、冰晶、各种气溶胶

内部结构明确了，现在来看只要能拟合出光线在云内部这些水滴中是怎么传递的，就能拿到成像效果。

“拟合光照怎么在水滴中传递” 这话听起来好像，说了很多，又似乎好像什么都没说。

拆一下句子。

谓语是“传递”，光会反射、折射、透射、散射... 这该怎么确定呢？

状语是 “在水滴中”，这问题就更大了:

1. 水滴有多少个？
2. 水滴有多大？
3. 什么时候在水滴中？什么时候不在？

一片云有多少水就像人有多少头发一样，怎么可能精确的知道？

每个水滴可大可小，还和温度相关，这又怎么可能知道？

气体边界模糊多变，这又双叒叕怎么可能知道？

王希老师曾经说非常羡慕老天爷有无穷的算力无穷的内存，不仅如此老天爷还有无穷的精度。

上面的问题对于人力全是问题，对于老天爷都有确定精确的数据，全都不是问题。

精度不够，统计来凑。图形学里处处都有approximation。

统计方法下的云

第一个问题：云里面有多少水滴？

云里面的水滴必然是无序的分布在整个云中的，当视线进入云的大致范围后，可能会碰到可能碰不到，由于没办法真的去模拟光线在分子中的交互行为。但是我们知道视线总是能碰到水滴的，不如就分而治之把一大块云拆成特别小的立方体，在这个小立方体中，视线总是有概率能碰到水滴的。

虽然切成了立方体，看起来对的那就是对的

这个概率可以描述为：当视线作为射线传播了足够多的单位时间t 后，一定会碰到一次水分子。那么每次单位时间都有1/t的概率能碰到。

只要前进的次数够多，总能碰到的

采用概率统计的方法我们就可以绕过复杂的分子结构，不用陷入定义具体分子位置的泥沼中，反正我们知道了一条视线穿过，总能碰到若干个分子，所有的光线加起来也就是云里面有多少水滴了。

第二个问题：水滴有多大

在上面我们已经把云拆成了一个个的小立方体，为了后续方便说明，我们就叫小立方体体素吧（Voxel）因为立方体就像三维的像素一样，通过离散的堆叠形成了一个物体。

类似三维的像素的感觉

在每个体素中，已经有一个隐含的假设，即每个体素的碰撞水分子概率是相同的，每个体素中的水滴都是相同大小。这都是approximation的处理之一，当然也可以有一张表记录每个体素的具体概率，这里先按下不表。

第三个问题：水滴的边界

这里设想一种极端情况，这个云特别乖，就是一个正方体，所有的体素都会规规矩矩的排列成一个正方体的样子，这样就可以用描述固体金属一类的方法来描述云，它有一个几何形状是一个cube，外表材质是完全的透明的，所有的视线都会正常的穿过，没有任何折射率。

终于我们完成了 云 这个材质的基本定义，解决了怎么描述“在云中”的问题，还有一个遗留问题：光线碰到云中的水滴之后，会发生什么？

散射效果

在聊光线碰到水分子这种复杂话题之前，我们可以先聊一个更加通用的话题，光线碰到金属会怎么样？

物理课上老师说过：

“金属的原子排列紧密有序，包围着许多电子，自由电子活动非常活跃”

电子非常活跃就会导致光线刚与金属表面发生交互，就会立刻被电子排斥，大部分光线立刻被电子反射或者吸收，只有极小部分能再继续前进一点。

所以金属这类材质只需要考虑反射的光照模型就足够了，其他的效果可以小到忽略不计，在材质实现上使用BRDF描述就足够。

来自点石渲染器

但是云完全不是这样，水分子中的电子相对金属更为稳定，并不能完全阻挡光线，虽然也能吸收一些光线能量但也不多，所以对于水这样的液体，相对于镜面反射更多会向各个方向反射，所以至少存在两种光照模型，反射与透射，统称为散射，在材质实现上使用BSDF描述。

水的散射并不像金属那么镜面

那么光会在云中怎么散射呢？天上的云形态各异，抽象来说有四种情况：

1. Absorption

乌云的效果。

阳光发出了光线，但是并没有照亮云，反而形成了黑色的乌云，是云中的分子吸收了很多光线的能量（转换为了热能等其他能量），所以到达人眼的时候能量很少，于是就是黑色。

d是光线传播的方向 x为云中水滴，下同

一块只有absorption的云

2. Emssion

因为温度等条件的变化，物体也会释放自身的能量，会像光源一样照亮其他物体

热烟毕竟也算是一种云

1. in-scatter 、outscattering

阳光洒在云上，让整个云变亮，光线穿过一些分子后也会碰到其他 的分子会进行反射，向整个云的各个方向进行反射。同样对于其他的分子，也有其他分子反射过来的光会与其相交，最终让达到的能量更多一些。

一块只有scattering效果的云。in-scattering还是out-scattering 多取决于方向

这样我们就完成了材质的边界、交互方式的定义，看起来可以开始实现 “云”了。

后面还会遇到哪些未曾设想的问题？如何把想法集成到Picoolo引擎的系统？

本周内更新。 欢迎大家点赞催更。

如有错误之处，恳请大家批评指正，学习交流。

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第二部分更新：  大白话聊体积云——软光栅下体积云理论与实现(二)

第三部分更新： 大白话聊体积云——软光栅下体积云理论与实现(三)

已完结。