Cesium中实现全球体积云

RayMarching

RayMarching 也就是光线步进，是 3D 图形学中的一种渲染方法，常常用来作为体渲染的主要渲染方式。

基本实现原理是，在每个像素上计算一条光线，当光线进入体纹理范围内后，将光线细分成更小的光线片段进行步进迭代，每次步进时计算相应的强度信息。最终迭代结束后，将所有步进结果进行叠加计算，得到像素的颜色。

体积云

体积云是利用 RayMarching 方式渲染的云效果，在一些大型游戏中很常见。

与其他渲染云的方式不同，体积云是真正具有体积感的云，一个最简单的区分方式是，体积云能够进入到云的“内部”。

如何渲染云

体积云的渲染步骤大致为：

1. 计算每个像素的光线方向
2. 计算沿光线方向是否能够和体积云范围相交
3. 获取相交范围，并在该范围内进行光线步进
4. 根据步进结果计算云的基础形状(也就是云的密度)
5. 计算云的光照

而其实，上面列的步骤中，1-3 均为 RayMarching 的实现。因此事实上，真正渲染体积云的步骤只有两个：计算强度和计算光照。

云的密度：

云的光照：

计算云的密度

体积云的密度计算比较简单，只需要在 RayMarching 的过程中，采样相应的噪声图，并累加噪声结果，直到达到噪声最大值或者结束步进。

最终累加的结果就是云的密度。

float cloudDensity = 0;
for(int iii = 0; iii < _Iteration; iii++) {
    float3 stepPos = startPos + iii * _StepLength;
    cloudDensity += SampleNoise(stepPos);

    if(cloudDensity > MaxCloudDensity){
      cloudDensity = MaxCloudDensity;
      break;
    }
}

计算云的光照

通常，体积云的光照分为两个部分：

1. 总光能(当前位置接收到的总光能)
2. 光能反射比例(当前位置的总光能有多少能够进入到眼睛)

总光能

在每一个点，向光源方向再做步进，累加噪声值得到该点在光源方向的“深度”。

举个例子：

在某点向光源方向做 8 次步进，前 3 次在云的内部，后 5 次在云的外部。

该点的深度为（1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 0 + 0 + 0）/ 8 = 0.375。

光能反射比例

我们算出了一个点接收到的总光能，但这些光能只有一部分能反射到我们的眼睛（摄像机）。

从该点向摄像机方向做步进，累加噪声值得到该点在摄像机方向的“深度”，深度越大损失的光能越多。

传递到摄像机的光能 = 接收到的总光能 - 中途损失的光能。

蓝噪声

体渲染通常对性能消耗是很大的，因此为了保证帧数，体积云的渲染会采用较低的步进次数，这样做会导致云渲染出现分层。

为了解决这种问题，通常需要使用噪声对步进的起始点进行扰动。

椭球体

由于 Cesium 是 GIS 相关的渲染引擎，因此体积云必须考虑适配 Cesium 的地球形状。

解决方式是，以云最低高程和最大高程，依据 WGS84 椭球外扩两个椭球范围。并以这两个椭球范围作为体渲染的范围进行 RayMarching 计算即可。

实际效果展示

参考资料

RayMarching 实时体积云渲染入门(上)
RayMarching 实时体积云渲染入门(下)
体积云渲染（Volumetric Clouds），技术美术教程
Unity URP RayMarching 体积云

原文链接

Cesium中实现全球体积云