Nubis Evolved: 体素云与实时渲染 (SIGGRAPH 2023) 核心原理解读

背景

在 SIGGRAPH 2023 的 "Advances in Real-Time Rendering in Games" 环节中，Guerrilla Games 分享了他们在《地平线：西之绝境》(Horizon Forbidden West) 等游戏中使用的最新一代云层渲染技术——Nubis Evolved。 Nubis 系列一直是实时云层体积渲染（Volumetric Cloud Rendering）的业界标杆。2023 年分享的重点是体素云 (Voxel Clouds)、性能优化以及处理极度复杂的动态天气系统。

⚡ TL;DR / 快速总结

• 技术核心：基于 Raymarching（光线步进）的体积渲染，结合复杂的 3D Noise (Perlin-Worley) 和多重散射照明模型。
• 2023 年进阶 (Evolved)：
  • Envelope Model（包络面模型）：定义云层的宏观形状，而不是在整个天空中盲目做 Raymarching。
  • 自适应采样 (Adaptive Sampling)：极大地提升了渲染性能，让云层可以在主机上实时运行。
  • 多重散射 (Multiscattering) 与各向异性相位函数：模拟光线在云层内部的多次弹射，呈现真实的透光感和边缘高光（银边效果）。

核心技术与渲染流程拆解

1. Envelope Model 与云层塑形

早期的 Nubis 主要依赖 2D 天气图来控制云的分布。在 Nubis Evolved 中，引入了体素化（Voxel）的思想来构建宏观的包络面（Envelope）。

• 原理：先定义一个低频的 3D 体素网格或 SDF（符号距离场）来确定“哪里有云的大致形状”。
• 细节注入 (Erosion)：在包络面的基础上，通过采样 3D 纹理（通常是组合了 Perlin Noise 和 Worley Noise）去“侵蚀”包络面的边缘，从而产生极其细腻的云絮、云洞和边缘翻滚效果。

2. 高效的 Raymarching (光线步进)

要渲染体积云，必须从相机发射光线穿透云层，并逐步累加透明度和光照。

• 性能痛点：全分辨率每像素步进 100 次对于实时游戏是灾难。
• 解决方案 (Adaptive/Temporal)：
  • 不在空无一物的天空区域进行昂贵的步进。
  • 利用前一帧的数据（TAA / Temporal 累加），降低当前帧需要发射的光线数量和步进次数。

3. 光照模型：让云看起来像云

Nubis Evolved 极大地改善了光照计算，这是它在 SIGGRAPH 上最引人瞩目的部分：

• 多重散射积分近似：真实云层内部的光线会弹射成百上千次。Nubis 通过预计算或近似积分公式（比如 Octaves of scattering），用极低的计算开销模拟出光线在云层深处透出的温暖柔和感。
• 各向异性相位函数 (Phase Function)：云层中的水滴对光线的散射是不均匀的（向前散射极强）。Guerrilla 使用了混合的 Henyey-Greenstein (HG) 相位函数，完美呈现了太阳就在云朵后方时，云边缘出现的夺目亮边。

学习资源与落地

• 官方 PPT/PDF：可以在 Guerrilla Games 官网阅读 NubisEvolved-NoVideos.pdf 获取原始图表。
• 开源复刻：社区已有开发者（如 Three.js / WebGL / Unity 环境下）复刻 Envelope Model 机制，可以搜索相关的着色器实现作为学习参考。