寫在前面

這是之前在做天空盒的時候同步寫的分析博客，結果后面寫到一半就忘了繼續(xù)了，這里先貼出當時寫的半成品，有小伙伴問我怎么做的，這里只能盡力把之前的半成品先放出來了（寫得很亂，勿怪orz），，后面有機會會完善好的！希望能幫到大家~

前置知識學習

【Unity大氣渲染】關于單次大氣散射的理論知識

關于卡通渲染的大氣散射

因為我想實現(xiàn)的是跟Unity 卡通渲染 程序化天空盒 晝夜變化，而作者實現(xiàn)過程的文章Unity 卡通渲染 程序化天空盒里說了只是想實現(xiàn)一個日出日落的效果，大概做了如下兩點簡化：

• 只計算了Mie散射
• 光學距離部分只計算了，省去了計算

既然不是基于物理的，那【Unity大氣散射】GAMES104：3A中如何實現(xiàn)大氣散射里整理的LUT優(yōu)化方式等等內(nèi)容就派不上用場了，但也無妨！多了一次學習~

那么接下來計算會盡量參考著這兩點去做~?很大部分的過程參考【實戰(zhàn)】從零實現(xiàn)一套完整單次大氣散射_四 - 知乎

分析原神的日出

截圖來自【原神】好美，原神一天中天空的變化_嗶哩嗶哩_bilibili

早晨，是地平線的顏色Bloom超突出，伴隨著緩緩升起的Mie散射的日出效果：?

隨著太陽升起，地平線Bloom褪去，留下明顯的Mie散射：?

日出結束，進入白天時間，太陽始終伴隨著一個炫光（猜測是直接疊加了一個炫光圖案），加上有隨太陽高度角變化的鏡頭光暈效果：?

關于地平線Bloom和太陽炫光、鏡頭光暈部分這里不提，先實現(xiàn)如此的Mie散射。

1 整體思路

我們需要模擬出人站在地面上看向天空的過程，其實就是人眼發(fā)出射線與天空相交的過程，這個過程還須判斷是否被物體擋住，擋住了返回黑色；沒擋住就調(diào)用一個單次散射函數(shù)，返回散射的值。

1.2?構建坐標系

• 首先要有一個明確的坐標系：這里將地球頂部作為世界原點建立坐標系，換句話來說，就按照Unity的世界坐標就行！
• 人眼此時就是A了，那么在Unity中相機的位置就是A的世界坐標，從A點出發(fā)發(fā)出射線與天空相交于點B，這時射線AB就是整個模擬過程中的“視線”

下圖是解釋圖，我覺得畫的不錯hhh

1.2 函數(shù)1：射線與球體求交

數(shù)學原理沒什么好說的，隨便找了個解釋原理的文章：

射線與球體/三角面片求交、重心坐標、插值_csu_xiji的博客-CSDN博客_射線求交

函數(shù)返回值

返回的是±t，rayOrigin+t*rayDir就能得到兩個交點啦。

//------------------------------------- // RaySphereIntersection //------------------------------------- float2 RaySphereIntersection(float3 rayOrigin, float3 rayDir, float3 sphereCenter, float sphereRadius) {rayOrigin -= sphereCenter;float a = dot(rayDir, rayDir);float b = 2.0 * dot(rayOrigin, rayDir);float c = dot(rayOrigin, rayOrigin) - (sphereRadius * sphereRadius);float d = b * b - 4 * a * c;if (d < 0){return -1;}else{d = sqrt(d);return float2(-b - d, -b + d) / (2 * a);} }

1.3 計算的部分

就是主要的單次散射函數(shù)，主要有兩個關鍵：

• 計算

2 計算T(PA)

參考開頭的簡化方法，我們不計算，那么整體就是按照下式計算了！其中，海平面的散射系數(shù)是已知的，相位函數(shù)和光學距離（累加相對大氣密度）都需要計算。

2.1 函數(shù)2：計算大氣密度

//--------------------------------------------------------------------------- // GetAtmosphereDensity //--------------------------------------------------------------------------- void GetAtmosphereDensity(float3 position, float3 planetCenter, float3 lightDir, out float dpa, out float dpc) {// ρ(h)= exp(-h/H)float height = length(position - planetCenter) - _PlanetRadius;dpa = exp(-height / _DensityScaleHeight);// we don't computer the D(PC)dpc = 0; }

其中，_DensityScaleHeight為大氣厚度。

2.2 函數(shù)3：相位函數(shù)

//--------------------------------------------------------------------------- // ApplyPhaseFunction //--------------------------------------------------------------------------- void ApplyPhaseFunction(inout float scatterMie, float cosAngle) {// only Miefloat g = _MieG;float g2 = g * g;float phase = (1.0 / (4.0 * PI)) * ((3.0 * (1.0 - g2)) / (2.0 * (2.0 + g2))) * ((1 + cosAngle * cosAngle) / (pow((1 + g2 - 2 * g * cosAngle), 3.0 / 2.0)));scatterMie *= phase; }

2.3 函數(shù)3：計算總散射

//--------------------------------------------------------------------------- // IntegrateInscattering //--------------------------------------------------------------------------- float4 IntegrateInscattering(float3 rayStart, float3 rayDir, float rayLength, float3 planetCenter, float3 lightDir, float sampleCount) {float3 stepVector = rayDir * (rayLength / sampleCount);float stepSize = length(stepVector);float2 prevDPA = 0;float prevTransmittance = 0;float densityPA = 0;float densityCP = 0;float localDPA = 0;float scatterMie = 0;GetAtmosphereDensity(rayStart, planetCenter, lightDir, localDPA, densityCP);densityPA += localDPA * stepSize;prevDPA = localDPA;// local Inscattering, densityCP=0float Transmittance = exp(-(densityCP + densityPA) * _ExtinctionM) * localDPA;prevTransmittance = Transmittance;[loop]for (float i = 1.0; i < sampleCount; i += 1.0){float3 p = rayStart + stepVector * i;GetAtmosphereDensity(p, planetCenter, lightDir, localDPA, densityCP);densityPA += (prevDPA + localDPA) * (stepSize / 2.0); Transmittance = exp(-(densityCP + densityPA) * _ExtinctionM) * localDPA;scatterMie += (prevTransmittance + Transmittance) * stepSize / 2;prevTransmittance = Transmittance;prevDPA = densityPA;}// phase functionApplyPhaseFunction(scatterMie, dot(rayDir, -lightDir.xyz));float3 lightInscatter = _ScatteringM * scatterMie;return float4(lightInscatter, 1); }

其中，為了方便用戶調(diào)試，cpp里對于Mie散射的S項和T項分別提供可控參數(shù)MieScatterCoef和MieExtinctionCoef：

Vector4 MieSct = new Vector4(2.0f, 2.0f, 2.0f, 0.0f) * 0.00001f;_ExtinctionM = MieSct * MieExtinctionCoef; _ScatteringM = MieSct * MieScatterCoef;

也就是_ExtinctionM是計算所取的S項海平面處的散射系數(shù)，_ScatteringM是計算所取的M項海平面處的散射系數(shù)，都是由cpp直接傳入，MieSct取值參考：

1.1

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【Unity大气渲染】Unity Shader中实现大气散射（半成品）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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