9.8 雾

当我们在游戏中模拟某些类型的天气状况时，可能会用到雾效（参见图9.11）。雾除了本身所具有的用途外，还具有一些附加效用。例如，雾可以用来掩盖渲染过程中出现的不自然的人工痕迹，避免蹿出问题的发生。蹿出（popping）是指由于摄像机的移动，使原本在远平面后面的物体突然进入平截头体内，从不可见变为可见；这看上去就像是突然“蹿”到场景里面一样。通过在一定距离内加入雾效，可以掩盖这一问题。注意，即使你的场景是在晴朗的白天，你也可以在较远的地方加入一些淡淡的雾气。因为就算是晴天，远处的物体（比如山岳）也会看上去有些模糊，就像是有一层薄薄的雾笼罩在上面一样，当深度增加时，物体的对比度会逐渐减小。我们可以用雾来模拟这种大气透视现象。

我们用如下方法来实现雾效：我们为雾指定一个颜色、一个相对于摄像机的起始位置和一个范围（即，该范围从雾的起始位置开始到完全遮隐任何物体为止）。那么，三角形表面点的颜色等于点的照颜色与雾颜色的加权平均值：

foggedColor = litColor + s (fogColor − litColor) = (1 − s ) ∙ litColor + s ∙ fogColor

参数s的取值范围是从0到1，它是一个以表面点和观察点之间的距离为自变量的函数。随着表面点和观察点之间的距离增大，雾在表面点颜色中所占的比例会越来越大。该参数的定义如下：

\[s = saturate\left( {\frac{{dist({\bf{p}},{\bf{E}}) - fogStart}}{{fogRange}}} \right)\]

其中，dist(p,E)是表面点p和观察点E之间的距离。saturate函数将自变量限定在[0,1]区间内：

\[saturate(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{x,0 \le x \le 1}\\{0,x < 0}\\{1,x > 1}\end{array}} \right.\]

图9.13是距离函数s的曲线图。我们可以看到，当dist(p,E)≤fogStart时，s = 0且雾化颜色为：

foggedColor= litColor

换句话说，当顶点与观察点之间的距离小于fogStart时，雾不会影响顶点颜色。从fogStart这个名字就可以猜到：只有当顶点与观察点之间的距离超过了fogStart这个分界线时，雾才会开始影响顶点颜色。设fogEnd = fogStart + fogRange，当dist(p,E)≥fogEnd时，s = 1且雾化颜色为：

foggedColor = fogColor

换句话说，当表面点与观察点之间的距离大于等于fogEnd时，雾将完全取代表面点本身的光照颜色。

我们可以看到，当fogStart < dist(p,E) < fogEnd时，随着dist(p,E)从fogStart增加到fogEnd，s会线性地从0增加到1。这说明当距离增加时，雾色所占的比重会越来越大，而表面点的光照颜色所占的比重会越来越小。这很容易理解，因为距离越远，被雾色笼罩的表面点就越多。

下面的着色器代码示范了雾的实现方法。我们在顶点级别上计算距离和插值参数，然后进行插值，在像素级别上完成照颜色的计算。

cbuffer cbPerFrame
{
	DirectionalLight gDirLights[3];
	float3 gEyePosW;

	float  gFogStart;
	float  gFogRange;
	float4 gFogColor;
};

cbuffer cbPerObject
{
	float4x4 gWorld;
	float4x4 gWorldInvTranspose;
	float4x4 gWorldViewProj;
	float4x4 gTexTransform;
	Material gMaterial;
}; 

// Nonnumeric values cannot be added to a cbuffer.
Texture2D gDiffuseMap;

SamplerState samAnisotropic
{
	Filter = ANISOTROPIC;
	MaxAnisotropy = 4;

	AddressU = WRAP;
	AddressV = WRAP;
};

struct VertexIn
{
	float3 PosL    : POSITION;
	float3 NormalL : NORMAL;
	float2 Tex     : TEXCOORD;
};

struct VertexOut
{
	float4 PosH    : SV_POSITION;
    float3 PosW    : POSITION;
    float3 NormalW : NORMAL;
	float2 Tex     : TEXCOORD;
};

VertexOut VS(VertexIn vin)
{
	VertexOut vout;
	
	// 转换到世界空间
	vout.PosW    = mul(float4(vin.PosL, 1.0f), gWorld).xyz;
	vout.NormalW = mul(vin.NormalL, (float3x3)gWorldInvTranspose);
		
	// 转换到齐次剪裁空间
	vout.PosH = mul(float4(vin.PosL, 1.0f), gWorldViewProj);
	
	// Output vertex attributes for interpolation across triangle.
	vout.Tex = mul(float4(vin.Tex, 0.0f, 1.0f), gTexTransform).xy;

	return vout;
}
 
float4 PS(VertexOut pin, uniform int gLightCount, uniform bool gUseTexure, uniform bool gAlphaClip, 
                            uniform bool gFogEnabled) : SV_Target
{
	// 插值后的法线需要重新归一化
    pin.NormalW = normalize(pin.NormalW);

	// toEye矢量用于光照计算
	float3 toEye = gEyePosW - pin.PosW; 
	 
	// 保存观察点到表面的距离
	float distToEye = length(toEye);

	// 规范化
	toEye /= distToEye;
	
    // Default to multiplicative identity.
    float4 texColor = float4(1, 1, 1, 1);
    if(gUseTexure)
	{
		// 采样纹理
		texColor = gDiffuseMap.Sample( samAnisotropic, pin.Tex );

		if(gAlphaClip)
		{
			// 如果纹理的alpha<0.1，则丢弃像素。
            // 注意，我们应该尽可能早地进行这个测试，这样我们就可以及早退出
            // shader，忽略其余shader代码。
			clip(texColor.a - 0.1f);
		}
	}
	 
	//
	// 光照
	//

	float4 litColor = texColor;
	if( gLightCount > 0  )
	{  
		// Start with a sum of zero. 
		float4 ambient = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
		float4 diffuse = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
		float4 spec    = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);

		// Sum the light contribution from each light source.  
		[unroll]
		for(int i = 0; i < gLightCount; ++i)
		{
			float4 A, D, S;
			ComputeDirectionalLight(gMaterial, gDirLights[i], pin.NormalW, toEye, 
				A, D, S);

			ambient += A;
			diffuse += D;
			spec    += S;
		}

		// Modulate with late add.
		litColor = texColor*(ambient + diffuse) + spec;
	}

	//
	// 雾化
	//

	if( gFogEnabled )
	{
		float fogLerp = saturate( (distToEye - gFogStart) / gFogRange ); 

		// 混合雾颜色和光照颜色
		litColor = lerp(litColor, gFogColor, fogLerp);
	}

	// 从漫反射材质和纹理中提取alpha
	litColor.a = gMaterial.Diffuse.a * texColor.a;

    return litColor;
}

注意：在雾效计算中，我们使用了distToEye，这个值还用来归一化toEye矢量，下面的代码也可以用来归一化toEye矢量，但不够优化：

float3 toEye = normalize(gEyePosW - pin.PosW);
float distToEye = distance(gEyePosW, pin.PosW);

上述代码必须计算两次toEye矢量的长度，一次在normalize函数中，一次在distance函数中。

注意：“Blend”演示程序支持三种渲染模式，可以通过按‘1’，‘2’，‘3’键进行切换。第一个模式只绘制了光照（见图9.14）。光照前面已经讨论过了，但看一下没有纹理的场景还是有用处的。第二个模式绘制了光照和纹理（图9.10）。第三个模式绘制了光照、纹理和雾效（图9.11）。这些渲染模式的切换是为了说明我们是如何在effect框架中通过uniform参数生成不同效果的。读者也可以看一下Basic.fx的汇编代码，也可以比较一下三种模式下的帧频。

发布时间：2014/8/11 21:20:36  阅读次数：3580