Skip to content

gpu-driven-clouds.md

Latest commit

 

History

History
142 lines (100 loc) · 11.5 KB

gpu-driven-clouds.md

File metadata and controls

142 lines (100 loc) · 11.5 KB
Raw

GPU Driven 体积云

2026-10-05：把原来只有声明的 Cloud 组件接入新 RHI，Metal 与 Vulkan 共用计算 shader 和渲染调度。默认半分辨率执行体积积分，可在编辑器切换完整、半、四分之一分辨率；经典场景提供晴天积云、日落和阴天三种预设。旧场景默认关闭云，避免改变已有的对照图与性能。后续增加了 可穿越三维体素云，本文的球壳流程和测量对应 voxel=false 的远景模式。

方案参考了 Guerrilla 的实时体积云公开资料：2015 年云景渲染、Nubis, Evolved。本项目采用程序化密度、有限步进和时域重建，并自行实现 GPU tile 压缩队列；并未复现完整 Nubis 系统，其性能数字也不适用于这里。

运行与参数

从仓库根目录使用原生 Metal 或 Vulkan 构建的程序运行：

./build/Scene-Renderer --classic clouds
./build/Scene-Renderer --classic clouds-sunset
./build/Scene-Renderer --classic clouds-storm
./build/Scene-Renderer --render-gallery img/metal cloud-gallery

不需要下载资源。--demo、天空、海洋和地形等带大气的示例挂有 Cloud 组件，在天空的 Volumetric clouds 面板开启。面板提供覆盖率、消光系数、云底高度、厚度、侵蚀、风速、步数、分辨率与独立时域累积。主逻辑修改组件，快照以值传递 CloudSettings；渲染线程拥有 GPU 纹理和历史，不从 GPU 线程访问可变组件。

场景 JSON 的天空对象可包含以下 clouds 字段；也可以通过组件注册表创建名为 Cloud 的组件：

{
  "clouds": {
    "enabled": true,
    "voxel": false,
    "temporal": true,
    "baseHeight": 1200,
    "thickness": 1600,
    "coverage": 0.55,
    "density": 0.006,
    "shapeScale": 3500,
    "weatherScale": 45000,
    "erosion": 0.28,
    "maxDistance": 60000,
    "wind": [12, 4],
    "steps": 72,
    "lightSteps": 6,
    "downsample": 2,
    "seed": 7
  }
}

高度、厚度、距离和噪声周期单位为米，风速为米／秒，density 为最大消光系数（1／米），实际系数还乘程序化密度。downsample 只支持 1、2、4；主步数范围 16–192，太阳步数 1–12。字段先整体校验再发布，非法值和 NaN 不会部分更新组件。GUI 的侵蚀调节可改变云团细节；覆盖率改变局部密度阈值，并非画面白色面积的直接百分比。

GPU 工作流

flowchart LR
    A[组件值快照] --> B[参数与太阳状态]
    B --> C[GPU 清理输出和间接参数]
    C --> D[8×8 tile 球壳与深度分类]
    D --> E[GPU 原子压缩可见队列]
    E --> F[间接 dispatch 体积步进]
    F --> G[风速补偿的历史重投影]
    G --> H[深度引导上采样与 HDR 合成]
    H --> I[海洋与透明物体 / TSAA / 色调映射]
Loading

每个分类 tile 有 64 个线程；只要一个有效像素的视线在不透明表面之前与云层相交，便由一个线程通过原子操作追加 tile 编号，同时增加间接 dispatch 的 X 维度。Y、Z 固定为 1；步进 kernel 根据队列编号恢复二维坐标。分类后的主步进工作量完全由 GPU 控制，交互帧不读回 tile 数量，也不等待 CPU 判断可见性。

分类过滤的是视线／球壳／不透明深度，尚未使用密度层次结构筛选空 tile。队列为所有 tile 预留容量，主机提前检查容量是否超出后端单维 dispatch 上限；超出时提示增大降采样。零覆盖或零密度产生零组间接 dispatch，清理 pass 仍把辐亮度置零、透射率置一，避免留下旧云。

程序化密度

第一次开启或修改种子时，GPU 烘焙 64³ 周期噪声与 256² 天气图。64 个切片存放在 528×528 的 RGBA16F 图集中，每个 64×64 切片带一像素周期 apron；XY 使用双线性采样，Z 插值相邻切片，得到连续的三线性密度采样。这复用现有 RHI 的二维纹理接口，不需要 CPU 生成体积数据或上传外部云贴图。

主体由低频 Worley 和多层 value noise 构成，第二通道保存高频 Worley 侵蚀；天气图决定局部覆盖和高度形态。先判断高度剖面和天气阈值，空区域跳过体积噪声采样。风以世界 XZ 平面平移密度与天气图，噪声周期由 shapeScale、weatherScale 控制。

云层使用与大气一致的行星半径和海平面，位于两个同心球面之间。稳定二次方程求根处理地面、云内和云上观察位置；视线被行星、不透明场景深度与最大距离截断。每条射线目前积分最近的一段云壳，远侧第二段不额外积分。

光照与积分

主步进默认最多 72 次，并随帧改变采样位置；有密度时才发出默认 6 次太阳方向采样，采样位置按平方间距分布。Beer–Lambert 透射率低于 0.01 时提前结束。输出为已经乘积分权重的辐亮度 L 和透射率 T，场景合成满足 L + T × background。

太阳方向和大气顶层辐照度沿用场景太阳状态；云层中心高度的解析大气透射率用于衰减太阳入射。双 HG 相位近似前向散射和弱反向散射，太阳射线积分产生云内自遮蔽；天空环境来自现有大气辐照度 LUT。两个低频衰减项近似补充多次散射，单次散射反照率使用 0.98。RGBA16F 辐亮度限制为 65000；这是一套可控的 RGB 实时近似，尚无严格高阶散射求解或绝对光度标定。

时域与合成

历史使用云贡献加权的代表深度，把当前云位置按风速移回前一时刻，再经前帧视投影矩阵查找历史。云深度／不透明深度不一致时拒绝历史；通过 3×3 当前邻域裁剪限制历史色和透射率，默认历史权重为 0.85，透射率差异大时降低权重。覆盖、密度、种子、光照及场景版本变化，resize、FOV／投影变化、相机大幅跳跃和时间倒退／跳跃都会失效历史。投影变化比较在 TSAA jitter 之前执行。

四点深度引导上采样结合全分辨率射线／深度检查，把云放在地形后面。合成 pass 在海洋场景颜色复制之前执行，所以水体透射背景可以包含云；海洋随后覆盖自己的运动信息。云覆盖像素标记为不接受通用天空 TSAA 历史，避免把运动的云当成无限远静态天空再累积一次。透明物体在云之后绘制，尚未做透明物体与体积的逐段混合。

关闭云时释放其持久资源。GpuClouds::commit 只在命令提交成功后推进历史与种子状态；RHI 管理写入到采样、写入到间接参数读取的依赖，Metal 与 Vulkan 共用同一套效果调度。

实际渲染与测量

图片由新 RHI／原生 Metal 在 Apple M4 上实际生成，输出 960×720，云缓冲 480×360，每组独立重置历史并渲染 32 帧，固定时间 8 秒。*-clear.png 保持相机、太阳、曝光和大气一致，只关闭云；*-opacity.png 为 GPU 云历史缓冲的 1-T，白色表示更不透明，没有色调映射。

晴天积云 日落 阴天
晴天云 日落云 阴天云
无云背景 半分辨率不透明度
无云 不透明度
场景 开云整帧均值 关云整帧均值 均值差 全像素平均主步数
晴天积云 6.97 ms 3.16 ms 3.80 ms 47.40
日落 6.82 ms 3.25 ms 3.56 ms 47.40
阴天 6.63 ms 3.22 ms 3.41 ms 27.29

逐帧数据：晴天、日落、阴天。

GPU 时间为整帧原生命令缓冲，包含呈现复制；剔除前四帧，记录剩余 28 帧的均值。差值仅估计这组场景添加云后的整帧增量，不是云 pass 的独立 timestamp。画廊为统计每帧时间显式等待 GPU；交互渲染不做该等待。硬件、系统负载、分辨率、视角及密度都会影响结果，冷启动噪声烘焙／管线编译不在表中。

该视角的分类队列为 1980／2700 个 tile，剔除约 26.7%；不代表任意视角都有相同比例。步进统计在全部低分辨率像素上求平均，包含被剔除的零步像素，不能作为每条有效射线的平均步数。

960×720、半分辨率下的持久纹理和队列约 14.50 MiB：六张低分辨率颜色／元数据纹理约 11.87 MiB，噪声图集约 2.13 MiB，天气图 0.50 MiB，tile 队列及间接参数约 10.56 KiB。不包含既有 HDR／深度／天空纹理、管线和每帧参数资源；全分辨率的屏幕缓冲成本约为半分辨率的四倍。

验证与代码入口

Apple M4／macOS 上最终完整 CTest：原生 Metal 17/17、Vulkan/MoltenVK 18/18；两者包含主程序云 GPU 回归，Vulkan 另有独立 GPU 验证目标。Metal 的真实云场景在 API／Shader Validation 下分别通过 8 帧双线程与 8 帧单线程窗口运行。

云 GPU 回归覆盖：参数非法值原子拒绝、JSON 配置、间接队列容量、有限 HDR／透射率范围、主步数预算、风速历史、投影切换、零覆盖／零密度后的输出清理、地球遮挡、云内／云上球壳、不透明前景完全遮挡、奇数 viewport／四分之一分辨率 resize 和种子变更。测试进入实际 GPU shader，完全遮挡时还逐像素检查 HDR 与关闭云一致。

SCENERENDERER_DISABLE_PIPELINE_DISK_CACHE=1 ctest --test-dir build --output-on-failure
./build/Scene-Renderer --rhi-self-test
./build/Scene-Renderer --classic clouds --frames 8 --size 800x450
./build/Scene-Renderer --classic clouds --frames 8 --size 800x450 --single-thread

本次测试关闭磁盘管线缓存，未验证缓存持久化；Vulkan/MoltenVK GPU 数值测试通过，本机没有 Khronos validation layer，对 MoltenVK 关闭 MetalTools 的已知阻塞组合。本次新增功能未在 OpenGL 或 Windows／Linux GPU 上实机验收。

入口 职责
CloudSettings.h、Cloud.cpp 配置、边界校验与 JSON
SceneSnapshot.cpp 逻辑组件到不可变帧参数
GpuClouds.cpp 噪声／天气缓存、tile 队列、间接 dispatch、历史与合成
cloud-classify.comp、cloud-march.comp GPU 可见性压缩与体积积分
cloud-resolve.comp、cloud-composite.frag 风速重投影、裁剪与深度合成
CloudValidation.cpp 两个后端共用的 GPU 数值回归
ClassicScenes.cpp、FeatureGallery.cpp 三种场景、无云对照、不透明度与性能 JSON

当前边界与后续方向

尚未把云透射率接入地面／地形的太阳阴影，也没有更新天空 IBL、RSM 天空反弹或海面天空反射；云目前改变可见背景及其透射遮挡，不能把阴天预设解释为整个场景的天气光照。CPU/GPU 离线路径追踪还不包含这套云密度。

64³ 周期数据限制近处细节，近地平线长射线的固定步数也可能遗漏薄云；高速度、密度变化和遮挡边界仍可能产生时域模糊。阴天是较高覆盖／密度的云层，不包含降雨、闪电、气象流体模拟。下一步可按独立 pass 计时，增加保守密度层次／空空间跳跃、云阴影图和随视距变化的细节 LOD；当前先保留有固定预算、可验证的调度。