这里给大家介绍的是ACIII（刺客信条3）的水体渲染方案的细节，照例原文在文末给出。

育碧1986年在法国成立，目前（2012）有分布在17个国家的25个工作室（以及其他一些附属部门），最大的团队在加拿大的蒙特利尔，大概有2100个员工（2012年），水体的实现是由新加坡的团队负责。

先来看下项目需求：

1. 支持各种区域的不同水体表现，从近岸的平静到深海受风暴影响的巨浪
2. 支持折射、SSS、粒子浮力效果以及复杂的大气效果
3. 支持水体交互、船舶物理模拟、风力模拟交互、与礁岸的交互

在技术上要能做到：

1. 真实
2. 可伸缩：支持从平静的水面到狂暴的海面
3. 实时

Beaufort波浪等级

为了方便美术同学调整，提供了Beaufort风力等级参数来实现对真实风浪效果的模拟：

level 0 – Calm – “where smoke rises vertically”
level 6 – Strong breeze, wind 22-27 knots : “Larger waves forming – Whitecaps everywhere”
level 12: which is a full Hurricane, winds over 63 knots, waves “16+ m (52+ ft)” and “violent destruction”

在实际使用的时候，策划只需要给出天气与波浪的高度，之后波浪的波动效果与破坏力就会自动匹配起来。

与现实的差异在于，由于风力需要为玩法服务，所以风力不会与波浪关联起来。

水体主要包含如下的一些特性或者说关键参数：

1. 浮沫
2. 法线贴图
3. 高低频的海浪pattern
4. 透明度与颜色信息

基于这些参数，结合风力等级，分别定义了12级的波浪设置，主要包含如下四项特性：
– surface scale，波浪的幅度（宽度？）
– height scale，波浪的高度
– choppyness，波动频率？
– foam decay，浮沫的衰变

参数是采用类似于动画的关键帧格式来存储的，比如，基于foam decay提供了四个关键参数，分别在0， 3， 7， 12级达到，中间的其他级别就可以通过插值来得到其他的数值。

Mesh

基于Jerry Tessendorf的FFT方案，这里烘焙了两套RGB贴图数据，每套都包含有：

1. tiling wave displacement贴图
2. cycling wave displacement贴图

Projected Grid

水体的贴图会从相机视角进行投影，这样带来的结果就是近大远小，得到的wave mesh作为Vertex Shader的输入,采用的是Projected Grid的算法思路:

1. 将frustum与海平面做交，得到一个四边形，这个四边形就是我们将要绘制的geometry
2. 这个geometry的顶点投影到屏幕空间上是均匀分布的（这就是projected grid的名字的由来），放到世界空间就是近大远小（实际上，就是将屏幕空间的2D顶点按照与海平面求交的方式，得到其世界坐标）

基于上述方式得到的四边形作为geometry进行绘制，之后在VS中对顶点进行变换，以实现海平面mesh波动的效果。

Projected Grid算法（看起来不单可以用在水体，还可以用在地形上，不知道Projected Grid算法跟CDLOD算法相比起来优劣如何）在实现起来会有一些问题，这些问题都有对应的解决方案。

1. 反向投影

当相机forward方向与海平面（水平方向）夹角较小的时候，就可能会出现部分顶点被投影到相机的背后，导致效果的异常，如下图所示：

这种方案的解决方式是另外设置一个新的projector，与实际的相机视角做一定的关联，当相机能够正确投影就用相机视角，否则就用最接近正确投影的视角作为投影视角。

2. 边缘缺失

投影后的geometry由于还需要经过顶点变换，而顶点变换可能会导致部分顶点往屏幕空间迁移，导致屏幕边缘出现海水缺失的问题。

这个问题可以通过将投影平面扩大一个尺寸来解决，这个尺寸可以通过数学公式推导得出，不会过大，又能保证包裹。

3. 超出海域范围

由于投影是将相机到屏幕空间grid顶点的射线与海平面相交来求得世界空间位置，但是这里有一种情况就是该点可能未被海水覆盖。

对于这种情况，需要将这些顶点移除屏幕外部，避免不该出现海水的地方有海水。

Shading

浮沫

浮沫的level是离线计算好的，得到的是一个连续的动画数据，这个数据会在运行时控制其播放速率，读取之后作用在波浪的边缘。

岸边的浮沫会采用不同的实现方式，这个会需要在离线的时候对地形拓扑数据进行采样分析来实现：

1. 按照一定的间隔（8m一次）对地形数据进行采样，其实得到的就是一个2D的地形depth map
2. 如上图所示，这个map会经历一系列的高斯模糊与perlin噪声叠加，来得到岸边浮沫随着深度而逐渐消失的效果

这里可以将Ramp贴图（控制水深噪声贴图的混合程度）跟噪声贴图都分别放到一张RGB中，美术同学调整效果只需要对Ramp贴图进行修改即可。

实际使用上，推测公式大概是这样的：

FoamIntensity = Texture.Sample(FoamTex, FoamUV);
RampVal = Texture.Sample(RampTex, Depth);
FoamVal = dot(RampVal, FoamIntensity)/dot(RampVal, float3(1,1,1));

Color

水的深度不同，呈现的颜色跟透明度也会有所区别，这里同样可以采用一张跟前面的Ramp贴图类似的Ramp贴图（存储到海岸线的距离）来实现。

这个Ramp贴图还会用来实现SSS效果。完整的SSS效果计算消耗太高，这里采用的是一个简易的算法：这个算法会基于观察位置、太阳位置和表面坡度等参数来控制局部的“浅度”或“色调/不透明度”。值得注意的是，仅通过使背光波的底面“不那么浅”来伪造 SSS 是多么有效

随着水的变浅，它会逐渐改变颜色，到某个时刻就可以看到下面的海底，为了实现这个效果，研发团队提出了两个级别的Shader LOD（浅水走半透，深水走不透）：

如下图所示，将水面分为两级LOD，通过两个DP完成绘制。这里需要回答的一个问题是，在Projected Grid的算法下，哪些顶点需要算在LOD0，哪些放LOD1，这里有如下的几种思路：

1. 一种是两遍都走完整的Projected Grid顶点计算，在这个过程中完成顶点变换，判断顶点的水深，之后将不属于当前LOD Pass的顶点抛弃。
2. 通过CS完成顶点变换与后续两个DP的VB填充，之后通过indirect draw完成两个DP的发起与执行

刺客信条3的实现是将水体分为一个个的patch（在屏幕空间的均匀tile），每个patch只包含一级LOD，当水深超过400m则为LOD1，否则为LOD0，为了避免两级LOD之间的效果差异，在两级LOD交界处的LOD0的Patch会基于深度做渐变，逼近LOD1的效果。

这里的新的问题是，要如何知道每个patch所属的LOD？只对四个顶点外加中心点来进行计算吗，还是会走回上面的两种思路？

水体的shading最终需要用到如下的一些数据：

• Diffuse
• Specular
• Normal map
• Reflection
• Depth & tint
• Refraction and ‘SSS’
• Complex Foam

最终效果如下图，原文还有一个视频。

Basic Water

Specular highlights

Reflections (including sky)

Final : Deep, Translucency, SSS , Tint and Foam

Ship Physics

除了渲染上的效果外，还得考虑gameplay上的效果，主要是船舶跟水体的交互：

1. 拖动水体的效果（特效）
2. 浮力表现
3. 对水体的挤压效果（跟2其实是作用力与反作用力）

为了实现实时渲染，这里的模拟就不能走真实物理计算的，因为想要在实时的要求下，实现流体动力学与刚体交互的碰撞检测是基本不可能的，通常会用多个partitioned box或者浮力球来模拟船舶（或其他受浮力影响的物件），模拟船舶所需要的交互元件的数目跟船舶的形状、尺寸有关，比如下图所示的船，就是在两边各摆了四个球：

通过这种方式，既能够感知到船在水中的下沉深度，同时还能接受两侧的力来实现翻船等效果。

船体对水流的拖拽效果这里会受到三个因素的影响：

1. 作用面积
2. 拖拽系数
3. 航行速度

拖拽系数只受船舶的速度与水面法线的夹角的影响，实现的时候会在船体周边摆放一系列的采样点，每个点都会基于一个特定的公式来计算出对水体、船舶的push/drag force，并基于这个数据做插值来影响船舶的航行pose。

参考

[1]. Assassin’s Creed III: The tech behind (or beneath) the action