物理模拟:OpenVDB数据与游戏引擎的结合使用

目录

OpenVDB简介

VDB（Voxel Data Base）存储结构

距离场（SDF）和密度场（Density）

VDB格式特点

VDB应用案例

1. 网格运算

2.Ray Marching算法优化

3.模型转流体

PBRT V4

OpenVDB在Unreal Engine中的应用

OpenVDB在Unreal Engine中渲染存在的问题

1.阴影问题

2.可视问题

Unreal Engine 异构体积渲染会用到的一些命令行工具

OpenVDB简介

OpenVDB 是一个获得奥斯卡奖的数据结构，有其对应的C++开源库，包含一个分层数据结构和一套工具，用于高效存储和操作在三维网格上离散化的稀疏体积数据。它由 DreamWorks Animation 开发。在视觉效果行业中，它被用于模拟和渲染水、火、烟、云和大量其他依赖于稀疏体积数据的效果。而这类数据通常的特点是全局稀疏而局部稠密（如下图）。

稀疏结构

在现实中这类数据也很常见，比如风场，核污染等场数据。这类数据往往具有数据量比较大，且存在动态更新，需要空间分析等应用场景的需求。

VDB（Voxel Data Base）存储结构

OpenVDB的数据结构是一种B+ Tree的变体（如下图所示），在这个树状结构中，Root（灰色文字）是稀疏的，大小可调节。而其他节点（绿色，橙色和蓝色文字）则是稠密的，且长度是2的N次方。节点上对应的数组（竖长的大方块）分别是mRootMap，mInternalDAT，mLeafDAT，分别保存了指向子节点的指针（绿色，橙色，蓝色），上层切片的值（白色，灰色）或者体素的值（叶子节点中的灰色和红色）。其中，灰色表明该节点术语不活跃状态，最下面的白色节点则是压缩后的叶子节点，去除灰色节点。而DAT（direct access table）上面的扁平的小方块是压缩后的bit mask，用来记录局部的拓扑结构。

OpenVDB数据结构

距离场（SDF）和密度场（Density）

通常，在OpenVDB上，会保存density属性，还有一个可选的temperature属性，每个体素(voxel)存储的是signed distance field（SDF），标识inside或outside的距离。如下是离散形式下的计算过程，根据曲线获取临近四个点的distance value，通过插值方式计算voxel内任意点的distance值。

SDF双线性插值

在Houdini中，可以很直观的看到模型，VDB盒子和SDF的直观效果，如下图所示

原始模型

VDB体素盒子

SDF距离场

VDB FOG密度场

可以看到VDB的内部数据存储结构：

vdb内部存储结构

VDB格式特点

  • 动态性：包括随时间的模拟和动画，以及拓扑结构的动态变换

  • 内存高效：包括内存的动态和分层分配和数据的向量化压缩

  • 泛型拓扑：支持任意动态拓扑结构

  • 快速数据访问（随机或顺序）

  • 没有范围限制，无限范围

  • 高效的层级算法，基于B+树的缓存优化和bounding-volume查询，以及SSE，多线程，blocking等加速技术

  • 自适应分辨率，树状结构

  • 简易可配置：比如数据树的深度，节点大小等

  • out of core：具有动态调度

VDB应用案例

VDB支持一些拓扑运算，偏微分计算，CSG建模，布尔运算，填充算法以及Ray Marching的优化,在实际中有很多的应用场景和案例。

1. 网格运算

网格求交

可以清楚直观的在Houdini中看到网格的实际应用

模型VDB

盒子VDB

格网求和(Combining Grids)

网格求差(Subtraction Grids)

网格求交 （Intersection Grids）

求和后SDF显示

求和后FOG显示

2.Ray Marching算法优化

左图是原始的云，是一个多边形表面，采用VDB的树状结构，转化为15000900500的体素网格，并最终渲染得到右图

3.模型转流体

模型转流体

PBRT V4

2020年Matt Pharr介绍了PBRT V4[1]从V3升级的的技术实现，里面很多的经验都很有价值。而V4中采用了新的体渲染的算法，引入了Null Scattering的概念，而且对Heterogeneous的数据，采用了NanoVDB格式。NanoVDB是一个迷你版的OpenVDB，其最大的特点是同时支持CPU和GPU下的高分辨率稀疏体积数据的渲染，包括：C++，C99，CUDA，OpenCL，OpenGL，WebGL，DirectX12，OptiX，HLSL和GLSL，且不依赖OpenVDB，并可以和OpenVDB相互转换。OPenVDB和NanoVDB的结构对比如下：

OpenVDB和NanoVDB结构示意图

在数据结构上，NanoVDB是对OpenVDB的线性快照，节点严格的4字节对齐，广度优先，如上图，同一个level的节点都紧凑的存储在一起而抛弃了指针（链表），因此在不同设备（CPU与GPU）之间的拷贝性能更快，且对缓存更为友好。并且，支持元数据的统计能力，以及 out-of-core 和 in-core 的数据压缩支持。而NanoVDB最大的局限是无法修改数据的拓扑结构。

OpenVDB在Unreal Engine中的应用

在UE5.3之前，需要下载Unreal VDB插件，插件下载地址为：unreal-vdb,在版本包里选择自己对应的UE版本进行下载。

unreal-vdb 插件下载

然后打开Unreal Engine 项目，转至 File > Manage Project > Plugins。

将克隆的 unreal-vdb 文件夹复制到项目的 Plugins 目录下。重启 Unreal Editor 以加载新插件。在插件管理中确保 Unreal VDB 已启用。然后就可以正常使用VDB插件了。

Unreal Engine VDB 插件配置

从UE5.3之后，UE将VDB相关操作全部集成到了UE引擎中，就可以很方便的使用VDB相关的操作了。首先需要准备相关的VDB数据，可以在free-vdb-animations下载自己感兴趣的VDB数据。

free-vdb-animations VDB数据下载

下载后的数据有两类，一类是静态的单个VDB数据，另一类是带有序列的多VDB数据，在UE5.3中，将VDB数据拖入引擎可以将VDB数据以资产的形式导入到引擎中。

Unreal Engine 导入VDB数据

可以看到VDB数据导入时会提供是否导入序列选项，如果是单个静态VDB数据，就不需要勾选此选项，如果是多序列数据，就需要勾选此选项。可以看到，VDB数据提供了两个属性，分别是属性A和属性B，存储的数据类型可选，除了density之外，在不同的通道内还存有不同的数据，本质上属性A和属性B没有区别。

导入VDB数据之后，UE中需要使用异构体积渲染器进行渲染。

将异构体积（HeterogeneousVolume）拖入场景之后，需要根据VDB数据制作相关的材质，在制作材质的时候，使用UE提供的稀疏体积纹理进行制作，附相关蓝图节点如下，里面对应的属性A和属性B就是导入的VDB数据的属性A和属性B。

Unreal Engine VDB蓝图

这里渲染了一个烟雾扩散的序列效果

视频封面

OpenVDB在Unreal Engine中渲染存在的问题

1.阴影问题

Unreal Engine 在Lumen模式下渲染VDB是没有光照阴影的，如图所示

Lumen模式下渲染VDB数据

添加一个球体进行对比，球体是有光照阴影的，如图所示

Lumen模式下渲染球体VDB数据

Unreal Engine在光线追踪模式下对VDB进行渲染，是可以生成阴影的，如图所示，开启光线追踪后，会发现VDB是没有被渲染出来的，这是因为Unreal Engine在光线追踪模式下默认是不开启VDB渲染的，需要再控制台使用命令行工具开启VDB渲染 ：r.PathTracing.HeterogeneousVolumes 1

光线追踪模式下渲染VDB

2.可视问题

Unreal Engine在渲染异构体积时，默认当相机拉远之后会出现异构体积消失问题

视频封面

异构体积消失

需要通过命令行设置异构体积最大可视距离，设置之后就不会出现异构体积消失问题命令行：r.HeterogeneousVolumes.MaxTraceDistance 1000000

Unreal Engine 异构体积渲染会用到的一些命令行工具

  • r.PathTracing.HeterogeneousVolumes（Default = 0）, =1 光线追踪模式下关闭/开启异构体积渲染

  • r.HeterogeneousVolumes.MaxTraceDistance （Default = 30000） 设置异构体积最大可视距离

  • r.HeterogeneousVolumes.Debug：(Default = 0)，=1进入可视化Debug模式，显示体素网格透光率

  • r.HeterogeneousVolumes.DepthSort：(Default = 1)，启用深度排序

  • r.HeterogeneousVolumes.HardwareRayTracing：(Default = 0)， = 1进入硬件光追模式【只支持N卡】

  • r.HeterogeneousVolumes.MaxStepCount ： (Default = 512)步进次数，越大效果但性能消耗越高，如果觉得掉帧有些厉害，可以适当降低

  • r.HeterogeneousVolumes.StepSize：主步进步幅，使用该命令覆写

  • r.HeterogeneousVolumes.ShadowStepSize：ShadowRay步幅，会影响体积对象上的阴影分布

  • r.HeterogeneousVolumes.MaxTraceDistance：(Default = 30000)，ViewRay的最大步进距离

  • r.HeterogeneousVolumes.MaxShadowTraceDistance：(Default = 30000)，ShadowRay的最大步进距离

  • r.HeterogeneousVolumes.IndirectLighting：(Default = 0)，=1为半透明注入Lumen GI [二阶球谐]

  • r.HeterogeneousVolumes.Jitter：(Default = 1) 默认为步进过程进行抖动（不是沿绝对直线），这可以一定程度避免较低步进次数下的摩尔纹，保持默认即可

  • r.HeterogeneousVolumes.Preshading：(Default = 0)，默认为0渲染模式处于LiveShading状态， =1进入PreShading模式，后者可以看作是体积雾的增强版。LiveShading和PreShading个人感觉谈不上哪种方案更好，只是两种实现体积效果的代表思路

  • r.HeterogeneousVolumes.VolumeResolution.X：控制PreShading模式下Lighting Cache Volume的分辨率。

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