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学习OpenGL ES之教你制作迷雾

我是忧伤的占位图

前言

本文将为大家介绍一种常见的3D技术-雾（fog）。雾可以让你看不清远处的物体，除了模拟真实环境中的雾效果以外，还可以用来遮挡修饰远处细节精度比较低的模型，让它们看起来没那么粗糙。本文将介绍雾的三种基本实现方式。代码主要集中在Shader中。我们开始吧。

原理

雾效果的制作并不需要额外的几何体或者是粒子发射器，当然如果可以配合一些粒子效果会更好。雾的实现主要依赖于修改已有模型的颜色，根据渲染的顶点与观察者的距离，将雾的颜色与当前颜色混合。下面是2次exp计算模型的效果图，可以先感受一下。地形和天空都是上一篇文章使用的。

学习OpenGL ES之教你制作迷雾

线性计算模型

我们先来看雾的线性计算模型，在这个模型下，我们要指定雾的起点，终点。也就是说雾在距离你多少的地方开始，距离多少的地方结束。接着根据当前渲染的fragment在该区域内的位置计算雾的占比因子，距离越远，雾应该越浓。所以随着和观察者距离的增加，占比因子应该从0到1。下面是公式和曲线图。

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上面的公式开始的距离值是2，结束的距离值是5，在0到2的区域，是没有雾的，因此雾的占比因子是都是0。超过5的区域，雾占比100%。设开始位置为fogStart，结束位置为fogEnd，当前位置距离观察者distance。可以得到雾的占比因子fogFactor线性计算公式。clamp函数将fogFactor约束在0到1的范围中。

fogFactor = 1 - (fogEnd - distance) / (fogEnd - fogStart)
fogFactor = clamp(fogFactor, 0, 1)

接下来我们可以就很轻松的在Shader中实现了。下面的方法利用上面的公式计算了雾的占比因子。

float linearFogFactor(float fogStart, float fogEnd) {
    vec4 worldVertexPosition = modelMatrix * vec4(fragPosition, 1.0);
    float distanceToEye = distance(eyePosition, worldVertexPosition.xyz);
    // linear
    float fogFactor = (fogEnd - distanceToEye) / (fogEnd - fogStart); // 1.0 ~ 0.0
    fogFactor = 1.0 - clamp(fogFactor, 0.0, 1.0);  // 0.0 ~ 1.0
    return fogFactor;
}

计算完占比因子后，使用mix方法将原来的fragment颜色和雾的颜色按照因子混合。最后将混合后的颜色返回给gl_FragColor就大功告成了。

mix(inputColor, fog.fogColor, fogFactor);

exp计算模型

exp计算模型是利用常量e来参与公式计算的一个模型。公式和曲线如下。

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公式中的0.5可以表示为雾的浓度，这个值越小，曲线上升的越慢，表现出来的现象就是雾变浓的速度越来越慢。设雾的浓度为fogDensity，当前位置距离观察者distance，得到的公式如下。

fogFactor = 1 - 1 / e^(distance * fogDensity)
fogFactor = clamp(fogFactor, 0, 1)

在Shader中实现如下。计算出来的和上面一样，依然是雾的占比因子。

float exponentialFogFactor(float fogDensity) {
    vec4 worldVertexPosition = modelMatrix * vec4(fragPosition, 1.0);
    float distanceToEye = distance(eyePosition, worldVertexPosition.xyz);
    float fogFactor = 1.0 / exp(distanceToEye * fogDensity);
    fogFactor = 1.0 - clamp(fogFactor, 0.0, 1.0);  // 0.0 ~ 1.0
    return fogFactor;
}

2次exp计算模型

相比于exp计算模型，这个模型只是将公式增加了一个2次方。

fogFactor = 1 - 1 / e^((distance * fogDensity)^2)
fogFactor = clamp(fogFactor, 0, 1)

公式曲线如下。

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Shader中实现如下。

float exponentialSquareFogFactor(float fogDensity) {
    vec4 worldVertexPosition = modelMatrix * vec4(fragPosition, 1.0);
    float distanceToEye = distance(eyePosition, worldVertexPosition.xyz);
    float fogFactor = 1.0 / exp(pow(distanceToEye * fogDensity, 2.0));
    fogFactor = 1.0 - clamp(fogFactor, 0.0, 1.0);  // 0.0 ~ 1.0
    return fogFactor;
}

最终的Shader

Shader中包含3种雾的计算方式，通过fogType决定使用哪种。fogType和其他雾的相关参数被配置在Fog结构体中。

struct Fog {
    int fogType; // 0: 线性，1: exp 2: 2次exp
    float fogStart;
    float fogEnd;
    float fogIndensity;
    vec3 fogColor;
};

在colorWithFog统一处理雾的计算。

vec3 colorWithFog(vec3 inputColor) {
    float fogFactor = 0.0;
    if (fog.fogType == 0) {
        fogFactor = linearFogFactor(fog.fogStart, fog.fogEnd);
    } else if (fog.fogType == 1) {
        fogFactor = exponentialFogFactor(fog.fogIndensity);
    } else if (fog.fogType == 2) {
        fogFactor = exponentialSquareFogFactor(fog.fogIndensity);
    }
    return mix(inputColor, fog.fogColor, fogFactor);
}

传值给Fog

在OC代码中，定义了新的结构体Fog描述雾的信息。

typedef enum : NSUInteger {
    FogTypeLinear = 0,
    FogTypeExp = 1,
    FogTypeExpSquare  = 2,
} FogType;

typedef struct {
    FogType fogType;
    // for linear
    GLfloat fogStart;
    GLfloat fogEnd;
    // for exp & exp square
    GLfloat fogIndensity;
    GLKVector3 fogColor;
} Fog;

接着初始化Fog对象。

Fog fog;
fog.fogColor = GLKVector3Make(1, 1,1);
fog.fogStart = 0;
fog.fogEnd = 200;
fog.fogIndensity = 0.02;
fog.fogType = FogTypeExpSquare;
self.fog = fog;

最后传递给Shader，注意，所有被渲染物体使用的Shader都必须实现Fog。本文中只在frag_terrain.glsl和frag_skybox.glsl中实现了，因为只渲染了天空盒和地形。

- (void)bindFog:(GLContext *)context {
    [context setUniform1i:@"fog.fogType" value:self.fog.fogType];
    [context setUniform1f:@"fog.fogStart" value:self.fog.fogStart];
    [context setUniform1f:@"fog.fogEnd" value:self.fog.fogEnd];
    [context setUniform1f:@"fog.fogIndensity" value:self.fog.fogIndensity];
    [context setUniform3fv:@"fog.fogColor" value:self.fog.fogColor];
}

总结

雾除了这三种基础的计算模型外，还有其他改进型的方案。比如体积雾，Atmospheric Fog等等，但是基本原理都是一样的，只不过使用了更加仿真的公式。