GPU Gems1 - 2 水刻蚀的渲染

2.1 引言

光线从弯曲的表面反射或折射，因此只聚焦在受光面上的某些区域，于是就产生了刻蚀现象。本文从美学角度出发，不以纯物理的方式计算，使其很容易在大多数图形硬件上实现，效果又十分逼真。

2.2 刻蚀的计算

如果想正确地计算水下的刻蚀，是一个复杂的过程：这涉及到数目庞大的光线及其相互作用。为了模拟这一过程，必须从光源射出光子作为开始，一部分光子碰到海面，或者反射或者折射。对于折射部分，按照Snell折射定律：

用该公式编程很不容易，可以将公式变形为一个更容易编程的形式，例如Foley等人1996年提出的：

光子一旦入水后，即发生折射并继续前进，随着入水的深度增加光强度会衰减，最后一些光子会碰到海底并将其照亮。由于海面的波纹，经过不同路径入水的光线，可能最终照到海底相同的区域，每当这个现象发生时，在刻蚀中的聚集光线就会形成明亮的光斑，类似于透镜的聚光现象。

刻蚀其实可以通过正向或逆向光线跟踪计算。在正向光线跟踪中，要跟踪从光源射出并穿过场景的光线，累计其在不连续地区的贡献。逆向光线跟踪，则以相反的过程工作。它从海底开始，按照与入射光线相反的顺序逆向跟踪光线，计算给定点的所有入射光线综合。但是无论是正向光线跟踪计算，还是逆向跟踪计算，都非常费时，因为只有极小部分的计算对最终结果有实际意义。

2.3 方法

本文采用的方法，是逆向光线跟踪的一个简化。我们只计算到达海底光线的一个子集，该子集就是只计算垂直与地面的光线，因为那些从入水到碰上海底面，传播距离最短的光线，才会最容易形成刻蚀。这种方法计算消耗非常少，尽管物理上不“”正确“”但是非常逼真。

我们的算法如下。从海底开始，绘制海底地面后，使用第二次混合叠加渲染来渲染刻蚀。为了这样做，我们创建一个与水网格尺寸相同的海底网格，并且用刻蚀值对其逐顶点地着色。为了创建光照，采用逆向光线跟踪：从海底网格的每个顶点，垂直地向上发射光线，一直到达正好位于哪个顶点之上的水波点。然后，使用有线差分计算那个点的海面波的法线。有了矢量和法线，使用Sneel公式，创建出从水波射向空气的第二级光线。我们再计算每条光线和垂直线的夹角，愈靠近垂直的方向，那个方向进入大海的光线就越多。