这篇文章是这个系列最后一篇啦，前情回顾：

未名客：【魔改UE4】Realtime DynamicSkyLight_关于动态天空光照的一次尝试​zhuanlan.zhihu.com

未名客：【魔改UE4】Rtx水面半透明反射的一次讨巧尝试​zhuanlan.zhihu.com

有了动态的天空，动态的水面反射，距离心中想的比赛作品还差最后一个最大的挑战，那就是可以互动的实时焦散。UE4 连水都没有，更别提焦散，所以这部分内容完全得靠自己。

在组里其他小伙伴的帮忙下，在比赛距离比赛截止还剩不到4天的时间，完成了效果原型。因为涉及到一些项目内部的信息，所以目前这篇文章只对我认为可以放出的内容，稍微点一下。据说NV 有意要把焦散的实现给UE4，那到时候再给大家做具体的分析。

当然，NV 也在18年GDC 上给出了焦散相关的信息，有兴趣的小伙伴可以到这里查看：

https://www.youtube.com/watch?v=l-wTZLjhZ5Y&feature=youtu.be​www.youtube.com

这篇文章，我将分享下面的内容：

1. 游戏里面最常用的焦散场景？实时可交互的焦散是什么样的？
2. 水面焦散的原理【水面上下，水的反射折射】。
3. 游戏里面常规的焦散如何做，如何使用RayTracing 实现焦散【只分享过程部分截图，不会涉及具体代码】。

废话不多说，这就开始。

1、什么是焦散？

游泳池里面的焦散效果最常见了，这些跟着水面一起晃动的亮斑，其实就是这里所谓的“焦散”，它们会出现在水底，也会出现在水上，岸边天花板都有。

游戏里面，传统的焦散，一般是通过某些专业软件，导出一个焦散序列，然后通过uv动画来制作的。

• 优点：效率快，效果可以控制。
• 缺点：无法交互。

NV 在推他的RayTracing就一直提到 焦散，那么这个实时的焦散张啥样？

其实远的不说，就拿国产游戏Rtx来说，《逆水寒》、《剑网三》都曾指出自己实现了rtx 焦散。因为剑三已经正式交付到玩家手里，我以《剑网三》为例说明。

jx3_caustic_realtime.wmvhttps://www.zhihu.com/video/1191764443942563840

以上画面是从剑网三正式服蓬莱场景截取的，可以看出，当你在水里跑动的时候，焦散会跟着一起动。这便回答了上述的问题啦。

2、焦散原理

关于焦散的原理的准确阐述，大家可以看上面NV 的Gdc 视频，也可以查一下。我这里说一下我们游戏里面，要实现的水面这个焦散的大致情况。

其实说的通俗简单一点，对于水面，我们并不是是为了焦散而去做焦散，真正要做的是，模拟光线从空气进入水面后发生的一些事情。

由上面那张图可以看到，光线打到水面上的一个点，会根据水面的发现发生反射和折射。当一束平行光线过来，因为水面并不平，反射以后的光线并不是平行的，会朝着各个方向继续传播，当他们碰到下一个平面，很多光子聚集到一起，就形成了一系列的“亮点”，远距离看起来，这些亮点看上去，有了形状，就是我们所说的由于反射，而产生的水面上面的焦散了。折射产生的水下焦散也是这个道理。

• 反射形成的焦散会打到水面的上方。
• 折射形成的焦散会达到水面的下方。

3、焦散的实现

我们知道，在RTX 的框架下，处理这种已知位置和方向的射线求交是非常方便的。其实焦散的实现非常方便，实际代码和反射非常相似。只不过，反射是一个像素被动的去计算一个像素被反射到的颜色，而焦散则是主动发出射线去照亮场景。

简而言之，一共有下面三个步骤：

1. 【光栅化】绘制水面，得到水面位置和法线信息。
2. 【RayTracing】做射线求交，得到求交结果。
3. 【光栅化，可选】根据实际情况，选择是否绘制Caustic 网格。

值得注意的有两点：

1. 焦散 实际是通过RayTracing 和 光栅化共同完成的结果。
2. 第三步是可选的，当发出的射线不够多时，点亮场景的点非常散，没办法聚成一定的形状。这个时候就需要通过降噪的手段来处理这些噪点了。当然，如果只是一个为了一个制作一个效果原型，不扣细节，我们可以选择要不加多射线，也有一个很讨巧的办法，把这些点实时导出，拼成三角形，CS计算三角形的面积，决定三角形的亮度，最后在PS 里面三角形画出来即可。

此外，要想实现一个非常漂亮的焦散效果，对水面的法线要求很高。最终焦散的效果是来自水面法线的，这也是美术控制焦散最主要的方式。

综上所述，焦散的具体实现步骤：

1. 【光栅化】 正交绘制水面，RT 为水面的世界坐标和法线。
2. 【RayTracing，GenRay】根据屏幕上一个像素水面的法线，和光线的方向，计算反射、折射方向。
3. 【RayTracing，DispatchRay】沿着这两个方向，主动像场景发射射线。
4. 【RayTracing，HitGroup】当碰到场景时，计算这一点在屏幕上的坐标，把SceneColor 上对应的点 点亮，降噪，使场景颜色平滑干净。
5. 【RayTracing，HitGroup】必要时，不做第4步，直接导出碰到的世界坐标点，和其他关心的信息。
6. 【CS】拼接三角形，根据三角形面积，计算三角形亮度强度。
7. 【光栅化】GS 剔除不符合的三角形，PS 绘制三角形，完成焦散。

下面做一个简单的概述，以及我部分完成的情况，供有兴趣的小伙伴参考：

3.1 正交绘制水面，得到水面世界坐标，和法线的信息

这一步在最开始的时候，我是新建了两个和屏幕一样大小的RT，从主相机的角度透视拍水面的。这么做确实很方便，不用管理相机，但是它的问题是，首先会浪费很多像素，其次精度不够，会出现摩尔纹以及各种莫名其妙的问题。

最终决定使用正交相机。

如果是使用正交相机，在水面正上方，垂直向下拍，那么得到的世界坐标，及法线精度是足够的了。

为了方便演示，我仅仅使用一张法线贴图，和一个平面来表示水面，机器波动。

如图所示，图里是个非常简单的场景，只有一块儿水面，2张rt，分辨率是512*512，分别记录了水面的世界坐标，和压缩过的法线。

3.2 RayTracing，点亮场景

一开始，因为reproject 到屏幕上 计算错误，出了下面的一些问题，没办法打到正确的场景物件上，立起来了：

https://www.zhihu.com/video/1191774046361186304

后来改正reproject 以后，得到了和想象中非常接近的效果

好是好，但是正如上文提到的，这么做存在精度问题。

UE4的原现场有点久远了，我用一个独立的小demo 演示一下它的问题。

https://www.zhihu.com/video/1191775655585521664

好了，最后在同事帮忙下，开始转正交做。有了如下结果。

在RayTracing 这一步，我一开始是直接一个点一个点打亮场景的，结果发现发出的射线不够多，出来很多小点点：

3.3 失败的降噪

降噪这部分，我只知到可以通过每帧随机数 + taa 的方式 来做时间上的降噪。对空间降噪算法不是很了解。

一开始试图通过降噪来处理这些点，并没有得到非常好的结果。眼看比赛截止时间临近，最后在同事的讲解下，开始考虑第二种方法，点云拼接三角形。

3.4 点阵 拼接三角形，回头走光栅化流程

在上面的rtx 步骤中，实际上并没有对SceneColor 做任何操作，而是输出了 世界坐标和一些其他参数的Buffer。

世界坐标buffer 直接作为VertextBuffer，走光栅化流程~

上图展示了大致的结果，已经非常非常接近最终结果了。

接下来，就是把根据亮度筛选三角形，通过一个CS，计算三角形面积，得出三角形的亮度强度，再走GS ，剔除不符合要求的三角形，最终就能得到下面的结果啦~

标题图get~

ok，基本到了这一步，整个焦散的实现过程就算完成了，当然中间有很多可以添加参数，给美术控制的地方，我这里就不方便说太多了~

好的，焦散部分就说到这里了，这个系列的三篇文章也按照预期更新完了。小伙伴们，有缘再见~