怪物猎人OL海水渲染效果的改进

      怪物猎人OL目前发布的版本用的是CRYENGINE自带的海水渲染，这个模块CRYTEK很多年没怎么改过了，DX9版本效果上基本和07年CRYSISI刚出来时差不多，DX11版本加了tessellation效果会好一些，但和目前效果做的最好的一些游戏还是有差距，原因嘛估计主要是CRYSISI后面几代基本上都是城市场景为主，CRYTEK也没有太重视这个模块。怪物猎人OL去年底加入了新的关卡水龙关，这个关卡的移动方式就是开着快艇在海面上跑，为了让这个关卡效果更好一些，决定改进下CRYENGINE的海水渲染方式。研究了好几个游戏的海水渲染，感觉目前效果做的最好的还是刺客信条4黑旗，看了下他们的实现方式觉得也不难，于是我在我们引擎里实现了一套类似的效果:

  介绍下AC4的渲染方法：

 1.海水的几何部分用2张预计算的128*128的FFT来模拟，一张用于比较小的波形（左图）

一张用于比较大的波形（右图），它们tilling的范围一小一大

2法线是512*512的，这部分他们的技术文档里没有看到写，不过通过GPA分析发现每一帧用的是不一样的法线，而且没有发现哪个DP或者computer shader和这个有关，所以我估计就是直接录的序列帧

3海水的caustic也是录的序列帧，大小256*256

4海水颜色通过一张美术做的纹理来控制，不同的海水深度取不同的颜色

5 海水3S效果也是通过这张颜色纹理来做的，需要3S的部分就把水的深度变浅

6海面的mesh用的projectgrid的方法，利用当前相机位置算一个Projector的位置，然后由这个projector来投射mesh，大小是256*1024，一共分64个DP来画，一个DP画一个64*64的mesh

7.foam大致分两种，一种是静态的海浪，通过噪声纹理和地形拓扑结构和美术预先刷好的图来控制的，另一种是动态的海浪，根据FFT数据算出来的

8.船航行的拖尾效果直接是用particle做的，先在projector space画一个mask，然后渲染的时候再贴到海面上和foam texture做运算

 画Mask的DP

画MASK的粒子资源

我基本是按照AC4文档里介绍的方法来实现的，不过在一些参数上设置有些不同，首先我FFT录了3组128*128的数据，其中一组5秒，30FPS，用来表现比较小型的海浪；一组10秒，15FPS，用来表现中大型的海浪，还有一组只有1秒，用来表现细微的法线贴图。存储上一共用掉了16MB的内存（感觉这里完全还有压缩空间，目前只写到这步），帧与帧之前我是直接在CPU里插值的，分成3个线程和主线程异步做的，测试了下对游戏效率完全不会有影响，而且物理那边取海水高度图也比较方便，不需要回读。

小的海浪                  大的海浪                 法线

它们对应生成的法线图如下

       海面MESH的法线                BUMP用的法线

先利用5秒和10秒的FFT计算出projector space的法线图，然后再计算1秒的FFT的法线图，法线图的分辨率是512*512,画的时候是带着128*128的MESH一起画的，这样比直接计算法线图边缘清晰一些。

海面MESH的分辨率我用的比AC4小，最早用的512*512，后来改成了256*512，感觉质量下降比较小，而且开销更低。顺便说下我DEBUG过的几个用类似这种算法的不同游戏的分辨率设置，战地4是512*256，watch dog是1024*1024，不过watch dog有个优化，它也是分成8*8个MESH来画的，每个128*128，但是它会事先对每个MESH做一个frustum culling（似乎是通过occlusion query来做的），只有看得见的才画，我数了一下，在最常见的平视海面的情况基本可以做到只画一半的mesh，这个优化以后有空可以做下。

Foam的生成我也做得比较简单，根据每张FFT动态计算，法线图那张不需要算，然后由一个参数来控制它们直接的混合比例，海浪越大就越偏向大的那张。具体算法看FFT海水最早那张paper (Simulating Ocean Water)

Project grid实现上注意不要让projector离海面太近，这样既可以避免近处过采样浪费顶点，还可以提高远处的mesh密度减轻次采样的问题。

还有就是海水的realtime reflection我直接去掉了，改用SSR实现的版本，性能提高了1-3ms，因为我们游戏镜头转动很小，效果差不太多。

参数上暴露给美术的主要有下面几个

FFTSmllHeightScale   5秒的FFT的高度缩放

FFTSmllChoppyScale  5秒的FFT的陡峭度缩放

FFTSmallTillingScale  5秒的FFT的纹理缩放

FFTBigHeightScale    10秒的FFT的高度缩放

FFTBigChoppyScale   10秒的FFT的陡峭度缩放

FFTBigTillingScale    10秒的FFT的纹理缩放

FFTBumpTillingScale  法线图的缩放

FFTFoamIntensity     海浪颜色强度

FFTFoamBlend       2张FFT算出的海浪的混合比例

FFTSSSSIntensity     3S颜色缩放

我在660GTX的显卡下做了个测试，1080P海面完全填满屏幕时开销最大，所有加起来开销大概有2ms，之前的海水大概单独渲染需要1.5ms，而且现在去掉了实时反射，这部分能省下来1-3ms，总算下来性能还提升了，而且画质也提升了。不过缺点就是现在FFT是预计算了，占掉了16MB的内存，还有就是SSR效果比起实时反射还是差了一点，尤其是镜头垂直角度变化比较快的时候。

 下图是一个测试场景，模拟了不同的风浪情况下的海面