引言：逼真的实时海洋渲染为何重要？

随着计算机图形学的快速发展，游戏、影视以及虚拟现实对水体渲染的要求逐渐提高。从汹涌的海浪到平静的湖泊，逼真的水体表现不仅能够提升场景的沉浸感，更是评价视觉质量的重要标准。然而，实现逼真的实时海洋渲染并非易事，这涉及复杂的物理模拟、光影效果以及对硬件性能的极致优化。

在现实中，水体的动态行为受到众多物理因素的影响，例如风速、海深、波长与波速的相互作用。如何在实时渲染中精确模拟这些复杂的物理现象，同时兼顾性能，是开发者面临的核心挑战。与此同时，随着开放世界游戏和电影工业的不断发展，场景中的海洋往往需要同时呈现近景和远景，要求渲染系统既能提供丰富的细节，又能优化资源消耗。

为应对这些挑战，Hig Water System 2.0 应运而生。这是一款面向次世代渲染需求设计的高保真海洋渲染系统。它通过结合物理学模型与现代渲染技术，提供了从动态波浪生成到屏幕空间反射（SSR）的全套解决方案。得益于灵活的模块化设计和用户友好的配置工具，Hig Water System 2.0 不仅适用于小型河流等细节场景，也能高效支持大规模海洋环境的渲染需求。

本文将对 Hig Water System 2.0 的技术架构与核心特性进行全景解析，探讨其如何在真实感与性能之间取得平衡，同时为开发者提供高效的创作工具。从物理模拟到渲染优化，再到动态交互与环境集成，这款系统展示了次世代海洋渲染的技术前沿。

展示：核心功能与视觉效果

通过以下图片，我们展示了 HiG Water System 2.0 在不同场景中的应用实例以及技术细节：

实时波浪模拟

描述：基于 IFFT 技术生成的动态波浪，表现了自然海洋波浪的真实动态。 屏幕空间反射（SSR）效果

描述：水面镜面反射与折射的光影效果，通过屏幕空间技术实现。 动态交互与投影

描述：通过投影实时调整自定义区域的海面数据。 水下效果

描述：展现光衰减、与深度颜色渐变的水下视角。

真实感的核心：从物理模拟到视觉呈现

基于物理的水体模拟

HiG Water System 2.0 通过快速逆傅里叶变换（IFFT）技术生成动态波浪，精准模拟风速、海深和 Fetch 等自然因素的影响，呈现出逼真的水体动态行为。IFFT 技术不仅生成复杂波浪，还具备高效计算性能，适合实时渲染。

多层次细节处理（LOD 系统）

通过 LOD 系统，HiG Water System 2.0 在保证近景细节的同时降低远景复杂度。动态细节纹理进一步提升了近景水面的真实感，展现微小波纹和局部反射效果。

视觉效果增强

屏幕空间反射与折射（SSR） 模拟水面的镜面反射与折射，动态反射周围环境。支持自定义反射强度和粗糙度，适配多种场景需求。

次表面散射（SSS） 模拟光线在水体内部的散射，展现深邃感和自然光影，适合浅海和水下场景。

屏幕空间环境光遮蔽（SSAO） 增强水面与环境之间的阴影细节。SSAO 通过动态采样生成柔和的光影过渡，提升波峰波谷的深度感。

动态光影与颜色控制 提供环境色、反射色和次表面颜色梯度的自定义选项，适配寒冷北海或热带海洋等多种环境。

通过这些技术，HiG Water System 2.0 实现了高效且逼真的水体视觉表现。

IFFT 在海洋渲染中的应用

快速逆傅里叶变换（IFFT）是现代海洋渲染中不可或缺的核心技术之一，通过 IFFT，我们能够将频域的波浪数据转换为空间域的高度图，用以生成逼真的动态海洋表面。这种方法允许开发者模拟真实的自然波浪特征，包括风速、海深以及 Fetch 等参数对波浪形态的影响，从而为游戏、影视和虚拟现实提供高质量的水体视觉效果。

IFFT 的核心优势

真实感强 通过对波浪的多频率叠加，IFFT 能够再现复杂且自然的水面动态，包括大尺度的涌浪和小尺度的细波纹。

高效性能 与传统基于粒子的波浪模拟方法相比，IFFT 在计算效率上具有显著优势，尤其适用于实时渲染场景。

参数化灵活 开发者可以轻松调整风速、波长和波向等参数，生成不同场景下的水体形态，如风平浪静的湖面或汹涌澎湃的海洋。

开源项目推荐：GX-EncinoWaves

为了更好地理解和应用 IFFT 技术，推荐一个优秀的开源项目：GX-EncinoWaves。这是一个基于 Unity 实现的 IFFT 海洋渲染解决方案，其主要特点包括：

高效的波浪模拟 通过 IFFT 技术生成的实时动态波浪，支持多种自定义参数，适应不同的场景需求。

丰富的学习资源 项目附带了详细的技术文档和示例代码，非常适合开发者学习 IFFT 在海洋渲染中的具体实现方式。

项目链接

GX-EncinoWaves on GitHub 通过研究该项目，您可以更深入地了解 IFFT 在实际场景中的应用，以及如何结合现代图形技术优化海洋渲染效果。

优化海洋波面渲染：大范围与细节的平衡

大范围波面映射

大范围波面映射适用于表现较长的波浪形态，以覆盖广阔的海洋场景。为了减少 IFFT 波浪图的重复感，可以通过以下方式优化：

多次叠加不同大小的波面图 将同一张 IFFT 渲染生成的波浪图，按不同的缩放比例在同一区域进行叠加。例如，将原始波浪图叠加一张更小比例和另一张更大比例的图。这种多尺度的重叠方式可以打破重复的纹理结构，模拟自然界中波浪多样化的形态。

频率与角度的变化 在叠加时，调整每层波浪的方向和频率。例如，一层使用原始角度生成的波浪，另一层旋转一定角度后应用。这种方法可以显著减少视觉上的周期性纹理感。

局部细节增强

在大范围波面的基础上，通过引入一张小范围的 IFFT 图，专注于高频细节的模拟，例如：

近景区域 在靠近玩家视角的区域，使用一张小范围的 IFFT 图来增强细节表现，模拟微小波纹和水面扰动。

性能与视觉效果的平衡

通过上述优化方法，可以在有限的计算资源下实现以下目标：

性能提升：大幅降低 IFFT 全面渲染的计算开销，将重点放在细节纹理和局部优化上。视觉自然感：通过多层输入器叠加和动态细节增强，实现自然流畅的波浪效果，避免重复纹理带来的违和感。灵活扩展性：输入器的设计可以适配不同规模的海洋场景，从近岸到无边的深海都能高效渲染。

这种方法不仅适用于实时渲染的海洋模拟，还可以应用于任何需要平衡性能与细节的动态场景中，为开发者提供了一种高效且灵活的解决方案。

LOD（细节层次）在海洋渲染中的应用

在海洋渲染中，LOD（Level of Detail, 细节层次）是一种有效优化性能的技术，通过动态调整渲染区域的分辨率和平面分布，达到性能与视觉效果的平衡。在您的实现中，LOD 的设计以正方形网格为基础，每个 LOD 是一个 n × n 的正方形区域，并且每个 LOD 之间的尺寸扩大一倍。这种方式在提升性能的同时保持了渲染一致性。

LOD 的具体实现

LOD 分区逻辑

将海洋表面划分为多个正方形网格，每个网格对应一个独立的 LOD 区域。较近的 LOD 使用较小的网格尺寸（高分辨率），适用于玩家视野范围内；较远的 LOD 尺寸逐步扩大，覆盖更大的区域以减少计算量。每个网格的细节仅计算自身所需的波浪数据，远近 LOD 区域之间通过平滑过渡避免视觉突兀。 LOD 尺寸的递增

LOD 的尺寸以每级递增一倍，例如：

LOD 0：n × n 正方形，适用于最近景区域。LOD 1：2n × 2n 正方形，覆盖更大的范围。LOD 2：4n × 4n 正方形，进一步延伸。这种递增方式保证了在远景区域减少计算开销，同时保留近景的细节表现。

优化与平滑过渡

细节与性能的动态平衡

通过线性插值技术，使得相邻 LOD 区域之间过渡平滑，避免视觉跳变。

全局覆盖的高效计算

每个正方形 LOD 独立计算波浪数据，并在渲染时统一拼接。远景区域的 LOD 采用更少分辨率的波浪图，进一步优化计算资源。

折射与反射在海洋渲染中的实现

在海洋渲染中，折射与反射是增强水面真实感的重要组成部分。为了高效计算动态波浪的光学效果，同时避免传统方法的性能瓶颈与局限性，渲染流程结合了 HZB（Hierarchical Z-Buffer）优化的屏幕空间反射、传统反射贴图以及 菲涅尔效应，并通过 平面反向渲染 解决屏幕外反射丢失的问题，实现了完整的折射与反射效果。

实现流程

1. HZB 优化的屏幕空间反射（SSR）计算折射与反射

使用 HZB 优化的屏幕空间反射技术对水面进行反射和折射的实时计算。HZB 通过分层 Z 缓冲快速确定光线与场景的交点，大幅减少 SSR 中的无效步进过程。HZB 的优势：

动态捕捉场景变化：包括波浪动态和移动的物体。性能优化：分层深度处理降低了计算开销。

2. 使用传统反射贴图补充 HZB-SSR 的不足

当 HZB-SSR 无法计算反射或折射时（例如，反射超出屏幕范围或深度信息丢失时），系统切换到传统反射贴图：

天空盒反射：通过静态天空盒提供远景反射的基础光影。环境贴图：补充场景中其他反射效果，例如较远的建筑物或不可见的物体。这种补充机制确保了反射与折射效果在各种场景下的完整性。

3. 使用菲涅尔效应融合折射与反射

在完成 HZB-SSR 和反射贴图计算后，结合菲涅尔效应对折射和反射比例进行动态调整：

低视角时折射为主：观察角度较小时，水面以折射效果为主，表现光线穿透水体后的细节。高视角时反射为主：观察角度较大时，水面逐渐过渡为以反射为主，展现出镜面反射的效果。菲涅尔效应基于视角与法线之间的夹角，动态计算折射与反射的混合比例，确保过渡自然真实。

4. 解决反射超框的平面反向渲染

问题：传统 SSR 在摄像机视角范围外会丢失反射（例如，低头观察海面时，镜头边缘的建筑或天空无法正确反射）。解决方案：

将海洋视为一个近似平面，进行平面反向渲染。将摄像机位置反射到海洋表面以下，生成屏幕外反射区域的影像，并与 HZB-SSR 的结果融合。这种方法有效补充了 HZB-SSR 的局限性，保证了反射效果的完整性。

次表面散射（SSS）在海洋渲染中的实现

次表面散射（Subsurface Scattering, SSS）是模拟光线在水体内部散射的关键技术。通过 SSS，我们可以展现出水体的深邃感和透光效果，尤其在阳光照射或浅海场景中，光的衰减和散射使水体更加真实自然。

实现方法

1. 基于折射深度图的光衰减效果

为了模拟光线穿过水体时的逐渐衰减，可以利用折射深度图来计算光的吸收和衰减：

获取折射深度图

在计算折射时，同时生成水体的深度图，表示光线穿透水面的距离。深度值越大，光线的能量衰减越明显。 光衰减的颜色梯度控制 颜色梯度图

公式与流程 光衰减最终通过深度图与颜色梯度结合，表现为：

深度映射与梯度采样

使用 深度图（d） 记录光线穿透水体的深度。将深度值归一化到梯度图的范围，并通过查找颜色梯度图来获取当前深度下的光照颜色。水面颜色随光线穿透深度逐渐由浅蓝过渡到深蓝，再到接近黑色，模拟水体内部光线逐渐被吸收的效果。 效果表现

浅水区域由于光衰减较少，表现为清澈的透光效果。深水区域光衰减显著，颜色趋向深蓝或绿色，展现深海的神秘感。

2. 基于波浪高度的动态 SSS 效果

为了模拟水面波浪的次表面散射变化，可以引入波浪高度作为 SSS 的动态参数：

假设波浪高度与 SSS 强度正相关

波浪越高，水面变薄，光线穿透和散射的强度越明显；波谷处水层更厚，光线散射较弱。将波浪高度（由 IFFT 或其他波浪生成技术计算）映射为 SSS 的强度参数。 计算公式

对波浪高度进行归一化处理： 其中：

h：波浪高度。hmin和 hmax：水面高度的最小值和最大值（根据波浪场景预设）。根据 SSSintensity动态调整光线散射效果的强弱。 渲染效果

波峰区域表现出强烈的光散射和透光效果，呈现出清澈的光泽感。波谷区域散射减弱，表现为更深的颜色和较少的光透过。

屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）在海洋渲染中的实现

屏幕空间环境光遮蔽（Screen Space Ambient Occlusion, SSAO） 是一种用于增强渲染细节的技术，通过模拟光线在物体表面和环境之间的遮蔽效果，提升画面的深度感与真实感。在海洋渲染中，SSAO 尤其适用于表现波浪之间、物体与水面的光照阴影效果，极大地丰富了视觉细节。

然而，由于海面场景具有无限延展的特性，传统 SSAO 的固定计算范围难以满足需求。因此，需要对计算范围和采样策略进行优化，以适应广阔的海面场景，并在有限的性能开销下实现高质量的效果。

1. 动态调整 SSAO 计算范围

在无限海面场景中，计算 SSAO 时需要动态调整计算范围，以平衡性能与视觉效果：

基于摄像机视角调整范围

近景区域：半径小的采样范围，表现细小波浪之间的细腻阴影效果。远景区域：半径大的采样范围，表现大波浪的效果

2. 半圆近似与正态分布优化采样

为了提高 SSAO 的计算效率，可以将 SSAO 采样区域视为半圆，结合正态分布采样来优化采样点的分布：

半圆近似原理

在水面场景中，遮蔽效果主要集中于波峰与波谷区域之间，因此可以将 SSAO 计算区域简化为一个位于视角方向的半圆形区域，忽略背向部分的遮蔽计算。 正态分布优化

采样点按照正态分布分布于半圆区域内，使采样密度在中心区域更高、边缘区域更低。正态分布的优势：

减少采样点：在更少的采样点下提供高质量的遮蔽效果。视觉平滑：采样点分布更加自然，减少了随机采样带来的视觉噪点。

3. 使用双边滤波去除噪点

由于 SSAO 的采样点减少，计算结果可能会出现噪点。为了解决这一问题，可以引入 双边滤波 进行后处理：

双边滤波原理

双边滤波根据像素的深度与法线进行平滑处理，保留边缘细节的同时去除噪点。 示意图：双边滤波开关效果

关闭双边滤波：SSAO 结果中存在明显的噪点与颗粒感。开启双边滤波：噪点被平滑去除，同时边缘细节得到保留。 。

4. 实现流程总结

动态范围调整

根据摄像机距离动态控制 SSAO 的计算范围，保证近景与远景的遮蔽正常。 半圆近似与正态分布采样

将采样区域视为半圆，并按照正态分布优化采样点，减少计算开销的同时提升视觉效果。 双边滤波去噪

使用双边滤波对 SSAO 结果进行后处理，去除噪点并保留边缘细节。

海面自定义输入器的原理与优化

输入器的核心原理

海面自定义输入器通过正交渲染技术，对每个 LOD 层级单独渲染特定的水面数据，例如高度、颜色、流向等。最终，这些数据被用作输入，叠加到海洋渲染中，实现灵活且精细的水面动态效果。

LOD 层级分离渲染

将海洋表面划分为不同的 LOD 层级，每个层级使用正交摄像机分别渲染：

高度图：渲染出每个 LOD 区域的波浪高度数据。颜色图：存储水面颜色或投影效果（例如光线反射、扰动区域）。流向图（FlowMap）：表示水面的流动方向和速度。通过这种分离渲染，输入器能够为不同的 LOD 层级提供准确的水面数据，确保渲染的灵活性与高效性。 输入器的数据融合

将从各个 LOD 层级渲染的结果按权重进行组合，实现连续且自然的水面效果。数据融合时，可以基于优先级或混合规则（例如线性插值）来平滑过渡，避免 LOD 切换时的视觉跳变。

优化策略

LOD 层级的最大高度限制

在实际渲染中，某些数据（如流向图 FlowMap）在高度较大的区域不会显著影响视觉效果，因此可以限制其最大 LOD 层级，即：

仅在低 LOD 区域渲染流向图或细节扰动，忽略远景高 LOD 层级的数据计算。这种限制能够显著减少不必要的计算开销，提升整体性能。 分辨率自适应

对不同 LOD 层级采用不同分辨率进行渲染：

近景 LOD：使用高分辨率，确保波浪高度、颜色等细节清晰。远景 LOD：使用低分辨率，保证整体效果的同时减少资源占用。

输入器的优势

数据分离与灵活控制

通过正交渲染，每个 LOD 层级独立计算高度、颜色和流向等数据，便于后续混合与优化。允许开发者在不同区域施加特定效果，例如船尾尾迹、动态光影或水面扰动。 性能优化

限制最大 LOD 层级 避免在高 LOD 区域计算冗余数据，如流向图高处不可见的部分。动态裁剪与分辨率自适应 进一步减少无关区域的数据更新，提升实时渲染性能。 高质量视觉效果

自定义输入器实现了高度图、颜色和流向的精确控制，叠加不同层级的数据可以创造更自然且细节丰富的水面效果。

实际应用示例

高度图

在低 LOD 区域渲染高精度高度图，表现水面动态波浪效果。 颜色图

渲染不同区域的水面颜色，例如浅水区与深水区的颜色过渡，或投影效果。 流向图（FlowMap）

用于表现水面流动方向和速度，在低 LOD 区域施加动态扰动，而在高 LOD 区域进行限制，避免浪费性能。

水下渲染的实现

水下渲染是海洋渲染中不可忽视的重要部分，它能够增强沉浸感，并有效区分水上与水下场景。实现水下渲染的核心在于如何精准判断摄像机位置是否处于水下状态，并基于此生成水下视觉效果。为此，可以采用以下方案：

水下判断方案：动态盒体与水下 Mask

1. 创建动态水体盒体

通过海面高度图生成一个动态的 水体盒体，盒体的高度随海面高度图的波动动态调整。该盒体用于判断摄像机位置，并标识当前视角是否处于水下。

盒体生成原理

根据海面高度图（由 IFFT 生成），创建一个与海面同步波动的立方体盒体。盒体的部分，上面为水面区域。随着波浪高度变化，盒体的高度也同步更新。 判断逻辑

当摄像机看到位于盒体内的水下部分时，即可判定当前像素处于水下状态。同时，将水体背面视为水下区域，以补充盒体范围外的水下视角。

2. 生成水下 Mask

基于动态盒体和水体背面，生成一个水下 Mask 用于水下渲染：

盒体渲染：

在水下时，盒体内部可见部分被标记为水下区域。 水体背面标记：

渲染水体背面，并将其与盒体内部数据进行融合，确保水下区域完整。 水下 Mask 融合

将盒体内的水下部分与水体背面区域进行融合，最终生成完整的水下 Mask。该 Mask 用于后续的水下渲染，比如水下颜色调整、光照衰减、散射等特效。

3. 渲染水下效果

基于生成的水下 Mask，可以实现以下水下效果：

颜色与光衰减

对水下区域应用颜色过渡（如蓝绿色）与光照衰减效果，表现出水下的幽暗感。使用深度图计算光的衰减程度，使浅水区域颜色较亮，深水区域逐渐变暗。 折射与失真

在水下视角中模拟光线折射效果，对水面以上的物体进行变形处理，提升真实感。通过屏幕 UV 偏移和噪声纹理叠加，表现水下的视野扭曲效果。 水体散射与悬浮粒子

添加次表面散射（SSS）效果，模拟光线在水体中的散射。使用粒子效果渲染漂浮的水中微粒，增加水下的沉浸感。

4. 水线渲染（可选）

图片来自Hig Water System 1

在需要表现水线的场景中，可以通过以下方式实现：

基于近裁面高度渲染

在摄像机的近裁剪面上，根据海面高度图渲染一条水线，标识水上与水下的分界区域。该水线动态更新，随波浪高度实时变化。 渲染水线特效

为水线添加薄雾或水光折射效果，表现水面的过渡区域。

海面物理模拟：高度获取与输入器探针的实现

在海洋渲染中，物理模拟是实现物体与海面交互的关键环节。其核心在于准确获取海面高度，进而实现物体在动态海面的漂浮、碰撞等效果。此外，为了更高效地支持自定义输入器数据，可以引入物理探针的概念，将输入数据进行烘焙或实时计算，再应用于物理计算中。

1. 海面高度的计算与获取

海面高度是物理模拟的核心基础，其实现需要在 CPU 端与 渲染端 保持高度一致，确保物理计算与视觉渲染的同步。

方法：复用渲染端的波浪图计算逻辑

波浪图应用于 CPU 端

渲染端通常基于 IFFT 波浪图 生成实时海面高度。在 CPU 端，将同一波浪计算逻辑引入物理模拟中，确保对任意坐标点的高度查询结果与渲染表现一致。 插值优化

为了提高高度查询的精度，可以对高度图进行双线性插值，特别是当查询点不在波浪图像素网格上时，插值可确保过渡平滑。

引入物理探针：输入器数据的物理模拟

为了支持输入器自定义数据（如局部扰动、流向、颜色）在物理模拟中的应用，可以引入物理探针的概念。探针能够在指定区域内烘焙或实时计算输入数据，并将结果提供给物理系统进行计算。

物理探针的功能与流程

探针区域定义

物理探针作用于一块自定义的方形区域，可以根据需求动态调整大小与位置。探针区域内捕获输入器数据，例如：

局部高度扰动。流向图（FlowMap）影响物体的运动方向。颜色数据或特殊效果区域。 输入数据的烘焙与实时计算

烘焙方式：对于较为静态或可预计算的输入数据（如预设扰动区域），探针将这些数据提前烘焙成高度图或流向图，存储供物理系统调用。实时计算：对于动态变化的输入数据，探针区域内会实时更新输入数据。 物理计算中的引入

将探针捕获的输入数据与高度计算逻辑结合，影响物理模拟中的物体行为。例如：

高度调整：将探针区域内的扰动高度叠加到全局波浪高度中。流向影响：通过探针采样到的 FlowMap，动态调整物体的运动路径。

参考文献

双边滤波在 SSAO 中的应用 双边滤波（Bilateral Filtering）是一种在图像处理中用于边缘保留平滑的技术，在屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）中常用于降噪处理。

相关资源:

Bilateral Filtering(双边滤波) for SSAO双边滤波 Bilateral Filtering 层次化 Z 缓冲（HZB）算法 层次化 Z 缓冲（Hierarchical Z-Buffering, HZB）是一种用于遮挡剔除和加速渲染的算法，通过构建多级 Z 缓冲结构，提高渲染效率。

相关资源:

Hierarchical Z-Buffer Occlusion CullingHierarchicl Z-buffer可见性算法

开源代码仓库

GX-EncinoWaves 一个基于 IFFT 的海洋波浪模拟开源项目，提供了高效的海洋波浪渲染实现。

GitHub 链接: GitHub - speps/GX-EncinoWaves: Graphics Experiment - FFT Ocean Water Simulation HigWaterSystem2 一个用于实时海洋渲染的开源项目，提供了多种海洋渲染技术的实现，包括 LOD 系统、SSR 优化等。

GitHub 链接: GitHub - Higgins-PT/HigWaterSystem2: Hig Water System 2.0 is an advanced, user-friendly, and realistic ocean surface rendering solution focused on simulating lifelike visuals. It provides real-time, realistic ocean surface simulations through physics-based oceanographic empirical formulas combined with reflection and refraction using the HZB algorithm.