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4月初，腾讯魔方工作室群自研的硬核FPS手游《暗区突围》又一次开放了测试，截至目前，该游戏在好游快爆已经拥有了超155万的预约量，每次测试都能登上其新游期待榜TOP 2；在TapTap也有超过72万的预约量和8.5分的评分。

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对于魔方来说，《暗区突围》应该是他们研发过的、美术品质最高的写实题材游戏和平挂网站购买。此前魔方总裁张晗劲也曾告诉葡萄君，在射击这条赛道上，他们的资源投入很大，头也够铁。

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那么这些投入究竟效果如何？在最近的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葡萄君将其分享内容整理了出来：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。

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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

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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0和平挂网站购买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。

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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。

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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个和平挂网站购买基本的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。

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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。

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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，和平挂网站购买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——天空颜色就像在和平挂网站购买一帧帧卡顿地变化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02 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和平挂网站购买层噪声，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和平挂网站购买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，我们没有计算大气和平挂网站购买透视，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：开启天空环境和平挂网站购买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，比如这和平挂网站购买张照片中，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和平挂网站购买步，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，可和平挂网站购买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。

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。

3.时序升采样和平挂网站购买如前所述，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，但是在旧设备上还和平挂网站购买是有优化空间，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03 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。

雨它包含雨滴粒子和湿和平挂网站购买润效果，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

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，因为它太快了和平挂网站购买但这很酷，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，即可得到分支的和平挂网站购买效果。

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。

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。

04 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和平挂网站购买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，通过控制不透和平挂网站购买明度值，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和平挂网站购买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，材质和蓝图很难和平挂网站购买管理，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。

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