做风格化体积云最怕的不是数学公式多而是把写实那套物理参数全数堆上去之后云既不风格化运行还卡到没法看。这套链路我在 UE 5.7.4 工程里从密度场、Beer–Lambert 透射一直做到实时雾与云隙光柱核心目标很简单用尽量少的参数拿到有明确艺术风格的云层并且让云和光柱在同一个密度场上计算保证光影完全对得上。这篇文章会把这套工程完整拆开讲适合已经在做渲染、想从原理层面吃透体积云的 TA 和技术美术也适合看得懂材质节点、但想把“为什么这么连”补扎实的美术同学。1. 整体设计与思路拆解1.1 风格化目标先定义“要什么样的云”再定义密度模型风格化体积云和写实体积云从出发点就不一样。写实云追求能量守恒这套物理模型要尽量复现真实大气散射PBR 参数又多又细风格化云追求的是“看起来是那朵云”“气氛到位”所以整个密度场和光学模型都可以大幅简化只要在观感上立得住。我在项目里把目标拆成三条。第一云形要能被美术直观控制不能靠调一堆物理系数第二云要有足够的体积感和层次边缘不能像贴片第三云本身要能和体积光、雾统一在一套计算里而不是各做各的再叠加。基于这三条我把实现拆成密度场、光学响应、雾与光柱三层。密度场控制云长什么样光学响应控制云受光后的亮暗和色彩雾与光柱负责让云融进场景氛围。三层分别调参互不污染这是整个工程能顺利推进的关键。1.2 三条技术路线的取舍为什么最终选自定义 Ray Marching先看常见的三种做法。最省的是多层网格贴片用几张带噪声纹理的云片叠起来顶点动画做漂移远看还行近看容易穿帮光柱也没法和云的密度绑定基本只能做背景。第二是直接用引擎自带的体积云系统效果强参数也多但它的形状控制偏向写实大气想调出“二次元/卡通风”的蓬松云块反而不顺手而且它和自定义光柱之间的数据访问路径比较绕。第三是自己在材质里写一套 Ray Marching 体积云这也是我最终定下来的方案。自定义实现最大的好处是密度采样完全可控。同一个密度函数既能驱动云的着色又能驱动云隙光柱的遮挡计算云和光的轮廓天生就是对齐的。另一个好处是性能预算可以自己砍写实方案动辄 128 步起风格化需求的细节频率低步数降到 48 甚至 32配合半分辨率渲染就能稳定跑起来。代价是 HLSL 循环、深度处理、噪声纹理这些东西都要自己接但这套成本用在一个可复用的工程配置上是值得的。1.3 渲染流程接入一个网格体材质走完全部效果接入方式我用了最简单的结构一个大球或平面网格覆盖视锥材质域设为 Unlit混合模式用半透明然后在像素着色器里做步进。之所以不在半透明 Pass 里逐物体渲染是因为云本身应该是场景里的“大气背景”一个覆盖视线的网格体就能满足需求而且和场景雾、深度缓冲的交互方式更直接。值得强调的是这个材质不能写入不透明深度否则后面的雾和光柱会被云挡住。我通常是在顶点阶段把深度推到远裁剪面像素阶段手工做云厚度的 alpha 输出这样场景物体会穿过云但云不会遮挡场景。这一步看似很小漏掉之后会出现各种诡异的遮挡穿插排查起来非常浪费时间。后面调试章节我会再展开。2. 密度场构建云的形状是怎么长出来的2.1 可调的风格化密度函数形状噪声、高度遮罩与细节侵蚀云的密度场是整个工程的地基。采样点在世界空间返回一个 0 到 1 左右的密度值。我常用的结构是三段式先用大尺度形状噪声铺出云块再用高度遮罩把云限制在某个高度带内最后用高频细节噪声“侵蚀”云块的边缘让轮廓更蓬松。第一阶段形状噪声用 3D Perlin-Worley 混合。Perlin 负责大块连续性Worley 负责云内部那种团状空洞感两者按权重混合后云的基本块面就出来了。第二阶段高度遮罩用一个简单的 smoothstep 组合底部从云底高度开始缓缓进入顶部到云顶高度前慢慢收薄。这样能保证云层不是一刀切底平顶散更接近自然云的形态。第三阶段最关键叫“细节侵蚀”。做法是把高频 Worley 噪声乘上一个强度系数然后从第一阶段结果里减掉。侵蚀的本质是削掉形状噪声边缘那些平滑的部分让云边界出现棉絮感和凹凸起伏。如果不做这一步云就像一堆圆滚滚的馒头没有空气感。注意侵蚀不能无限制否则云会碎成渣我在工程里把侵蚀强度作为材质参数暴露出来让美术一边预览一边调比固定数值实用得多。2.2 噪声采样效率纹理代替程序噪声UE 材质里有连续的 Noise 节点可以直接在 Custom Node 里调用但它的问题是每次采样都要重新计算噪声函数对这几十甚至上百步的步进循环来说开销太大。我最终放弃连续噪声改用预烘焙的 3D 噪声纹理。具体做法是生成一张 128x128x128 的 R8 单通道 Volume Texture里面用工具烘焙好 Perlin-Worley 和 Worley 两套数据材质里通过坐标采样读取。烘焙数据的好处很明显运行时只是纹理读取GPU 压力小而且可以通过 Tile 重复和坐标缩放控制频率。纹理分辨率和采样精度的关系也要说明一下128 以下是绝对不够用的边缘会出“马赛克感”256 以上视觉收益递减但显存和带宽翻倍。风格化项目用 128 到 192 之间比较划算。采样的另一个关键点是 UVW 坐标要乘上缩放系数再叠加上世界空间高度换算最后加上时间偏移模拟风。这里最容易犯的错是忘记把世界坐标转到“相对云层起始位置”的局部空间导致云随相机动远处云块像贴在雾上一样滑。偏移后需要先对坐标取模回到 Tile 范围内。2.3 风场与漂移不要让云“跳”云的漂移动画不是简单地把采样坐标加个 Time 向量就完事。单一速度会让整片云像传送带一样均匀平移重复感非常强尤其云块小、Tile 小的时候看几秒就能看出像素周期。我的做法是把密度采样拆成两层速度。形状层用慢速大偏移控制云片整体漂移细节层用快速小偏移让云边缘内部持续翻滚。两层速度不统一云看起来就很“活”。为了进一步降低重复感我还在坐标里加了一个随机相位每个 Tile 的云块位置略有差异这样即使纹理本身会重复观感上也不会一眼看穿。需要注意的是采样坐标的时间偏移只影响形状和细节的采样不能影响云层自身的高度带。高度遮罩必须基于绝对高度计算否则风一吹云底也跟着上下漂视觉上会像水位线在动。这个问题在我早期测试里出现过表现就是云层底部像海浪一样起伏排查时花了不少时间。3. Beer–Lambert 光学计算为什么云的受光能成立3.1 从光学厚度到透射率最简版本的能量传递模型云的受光不像普通表面那样“反射”而是光穿过介质的过程中被不断吸收和散射。Beer–Lambert 定律描述的是这个衰减过程透射率等于消光系数的负指数积分。T exp(-∫σ_t(s)ds)这里 σ_t 是消光系数包含吸收和散射积分路径就是光在云内穿过的距离。实时渲染里我们没有解析积分条件只能用步进累计去逼近每走一步把当前采样点的密度乘以步长累加到光学深度 opticalDepth 上最后计算 exp(-opticalDepth * extinctionScale)。这个公式我会直接写进 HLSL 循环里是后续所有光照的基础。风格化处理上我把消光系数和单次散射率拆成两个独立参数。消光系数控制云整体厚实程度散射率控制云把多少光“弹”向相机。这两个参数如果绑死会出现“云变厚了但也变黑了”的情况拆开后美术可以分别调节厚云也能保持明亮的风格化质感。3.2 相位函数决定云隙光柱方向感的关键光的散射不是均匀向四周散开的而是有方向偏好。描述这个方向分布的函数叫相位函数最常用的是 Henyey-GreensteinHG。P(cosθ) (1-g²) / (4π(1 g² - 2g cosθ)^(3/2))这里的 θ 是视线方向和光源方向的夹角g 是各项异性参数。g0 时均匀散射g 越接近 1光越强烈地保持原有方向也就是“前向散射”越强。云隙光柱之所以能被看见就是因为阳光穿过云隙后方向基本没变沿着光轴方向看去特别亮。所以光柱强度直接受 g 值影响。工程里我用双瓣 HG也就是主前向瓣和小幅度后向瓣的混合。前向瓣给光柱后向瓣给云边缘的微弱轮廓光。双瓣的好处是控制上更细腻想突出光柱时只要拉高前向权重不会把云整体洗白。如果只用单瓣 HG常常出现“光柱亮了但云边也糊了”的问题。3.3 多重散射的经验近似让暗部发光的关键真实光线在云里会散射很多次每次散射都会丢失部分能量也让暗部不至于死黑。实时模拟完整多次散射不现实所以用经验补偿。常用的近似是把光照方向的透射率做个幂运算模拟光在云内部多次“折返”后还能向相机传递的能量pow(lightTransmittance, 0.5)这样云内部少量光绕射到暗部的效果就出来了。注意这个幂不能乱用太小会让云显得通透得没体积太大会让整片云变成均匀自发光所以我把它和散射率一起放在参数面板里按场景光线慢慢调。能量守恒要提一下散射出去的能量不能超过入射能量。风格化可以允许轻微“过曝”但不能让云整体比太阳还亮。我在材质里给最终散射结果乘了一个小于等于 1 的 albedo 向量并让其色彩偏暖偏冷用来控制云在阳光下的“瓷器感”还是“棉絮感”。4. 实时雾与云隙光柱的实现4.1 场景雾的正确接入方式云要“浸”进雾里光柱要成立云周围必须有一层能被照亮的大气介质。UE 的指数高度雾在这里扮演基础角色。雾密度、雾色和太阳光色要做匹配否则光柱颜色和云的颜色会各说各话。我的经验是先定雾色基调晴天用太阳光颜色乘一个 0.8 左右的系数阴天则直接用冷灰蓝色。云材质的 Unlit 输出在场景雾作用下会被自动衰减和上色这一步不需要额外写代码但要注意把云的“分形雾距离”开启。如果云没有被雾正确衰减远距离看云层会出现一块块突兀的亮斑特别出戏。雾的密度参数还会影响光柱的可见范围。雾太淡光柱会消失在背景里雾太浓云也被糊掉形都没了。我通常会把雾密度控制在 0.02 到 0.08 这个区间再配合雾的衰减距离微调先用广角看云、再用长焦看光柱反复拉两个参数找平衡。4.2 光柱的核心在步进循环里沿太阳方向做遮挡采样云隙光柱最扎实的做法不是在后期用屏幕方向模糊去“捏”出来而是在体积云步进内部沿太阳方向单独做一次遮挡采样。原理是光柱本质上是雾被云影切割后未被遮挡区域散射出来的亮带。所以我们需要知道每个云采样点处太阳光还能不能透过来。实现思路很简单当主步进循环发现当前点有密度时从这个点沿太阳方向再走一段固定距离累加这段路径上的密度算出 lightTransmittance exp(-sumDensity * stepSize * extinctionScale)。这个值乘到散射颜色上就得到了“这束光是否被云挡住”的信息。遮挡采样步数不需要多6 到 12 步足够因为近处的遮挡贡献最多。主步进 64 步加 8 步副采样压力增加有限。阴影光柱的锐利程度由遮挡步数和噪声频率决定慢一点会更软更蓬松快一点会更利落更像“神光”。风格化项目通常用偏软的遮挡配合前向相位函数能产生非常明显的体积感光路。4.3 半透明顺序与后期光柱如何落到最终画面云的半透明混合顺序需要控制否则光柱会和云自发光混成一团。我采用的方式是云材质内部自己把“云散射光”和“雾透过云产生的光柱”分开累加。云散射光占主导的是云本身光柱成分占主导的则是密度低、透射率高、接近太阳方向的区域。在合成到屏幕前再走一道高斯模糊或按深度衰减的模糊让光柱边缘软化去掉步进噪声带来的颗粒感。这里不能用简单全屏模糊否则光柱会糊到云上把云也抹平。正确做法是把光柱单独输出到半分辨率 RT模糊后再叠加回主画面。这套做法在 5.7.4 里直接用 Scene Texture 的偏移采样也能凑合但效果和性能都不如半分辨率方案稳定。5. UE 5.7.4 里的落地操作材质、HLSL 与参数5.1 工程配置与云网格体准备新建项目后第一步是检查项目的渲染设置默认使用 Deferred Shading云材质走半透明天空背景光照方式选可移动平行光作为太阳。把项目的默认场景雾开启搭建指数高度雾组件并在雾色里绑定到太阳光颜色上。网格体我用一个半径足够大的球体反向剔除关闭让材质从内部可见材质域设为 Unlit混合模式设为 AlphaComposite。这样云就能叠加在场景之上。网格体需要跟随相机中心但不缩放顶点着色器里把球心平移到相机位置确保视锥覆盖始终完整。5.2 Custom Node 里的主步进循环接下来是核心部分用一个 Custom 节点写完整 Ray Marching。下面这段是我在这个工程里使用的简化版本基于常规体积渲染框架去掉了工程私有部分保留核心逻辑float2 screenUV GetScreenUV(GetPixelPosition()); float3 ro GetWorldPosition(Camera) cameraOffset; float3 rd normalize(WorldPosition - ro); float stepSize MaxDistance / StepCount; float t 0.0; float transmittance 1.0; float3 scatterColor 0.0; for (int i 0; i StepCount; i) { float3 pos ro rd * t; float density SampleCloudDensity(pos, TimeAndWind); if (density 0.001) { float opticalDepth density * stepSize * ExtinctionScale; float localT exp(-opticalDepth); float lightVis 1.0; [loop] for (int j 0; j LightStepCount; j) { float3 lightPos pos SunDir * (j 0.5) * LightStepSize; float lightDensity SampleCloudDensity(lightPos, TimeAndWind); lightVis * exp(-lightDensity * LightStepSize * ExtinctionScale); if (lightVis 0.01) break; } float3 phaseValue HGPhase(dot(rd, SunDir), PhaseG); float3 lightContrib SunColor * phaseValue * lightVis; scatterColor lightContrib * (1.0 - localT) * transmittance; transmittance * localT; } t stepSize; if (transmittance 0.01) break; } return float4(scatterColor, 1.0 - transmittance);这里有两个容易踩的坑。第一个是 early out 条件不能只用 transmittance因为光柱计算需要在接近太阳方向时持续累积早退会让光柱被截断。我把 early out 阈值设得比较低仅在完全遮黑时退出。第二个是 float 精度在远距离步进时位置坐标会逐渐漂移所以采样坐标要做世界坐标到局部坐标的降精度处理常见做法是先减去相机位置再加回偏移确保 float 精度足够。5.3 关键参数表与调参建议云效果好不好很大程度取决于参数是否顺手。我整理了一份工程里实际在用的参数表和默认值方便照着起调参数默认值作用调节建议StepCount64主光线步进次数风格化不追求细节时可降到 48LightStepCount8光柱遮挡采样次数越高光柱越准超过 16 性能浪费明显ExtinctionScale0.8消光系数整体缩放调大云更实更厚调小更通透ScatterAlbedo(1.0, 0.9, 0.8)云散射色彩倾向暖色晴天冷灰阴天PhaseG0.6HG 前向散射强度0.4~0.8 区间越高光柱越强ShapeTile2.0形状噪声平铺次数控制云块大小数值低云块大DetailStrength0.4细节侵蚀强度调高边缘更碎调低更圆润LightStepSize45光遮挡采样步长单位与场景尺度匹配约云层厚度五分之一调参顺序我建议先定形状再定透射最后定光柱。形状不对时调光没意义光柱强了只会把云形缺点放大。5.4 性能优化半分辨率、时域滤波与分级步进性能是体积云工程的生死线。画面再好看跑不动就等于零。我在这个工程里的优化有三个层面。第一层是半分辨率渲染。单独建造一个半分辨率 RT云材质输出到这张 RT 上再用双线性上采样合并到主场景。风格化云的细节频率不高半分辨率损失很小但着色压力直接削到四分之一。第二层是时域滤波。利用 TAA 的累积缓冲对半分辨率云结果做时间上的重新投影能大幅消除步进带来的高频闪烁。时域积累需要场景深度来保证近处物不被云的颜色污染这部分我用 GBuffer 深度做的 re-projection半透明云不写深度所以不会遮挡场景。第三层是分级步进。主步进开始时用大步长快速掠过无云区域采样到密度后才切到小步长精细走过云层。这样平均步数可以再降一半左右。具体做法很简单先用当前点的密度作为步长标尺密度低于阈值时步长翻倍高于阈值时恢复标准步长。实现上要小心步进不能跳过薄云边缘所以阈值要设得相对低。6. 常见问题与排查技巧实录6.1 云层颗粒感与噪声闪烁症状云面有颗粒状噪点镜头轻微移动时像洒了沙子一样闪。排查思路先看步长和噪声频率。步长过大云密度在采样间变化剧烈就会产生颗粒噪声频率过高细节侵蚀太碎也会让边缘闪烁。修复方法是适当增大步进次数或缩小步长同时检查噪声纹理的 Tile 缩放不要让细节噪声的频率高到超出了密度场能承载的范围。如果颗粒来自时域可以给光线步进的起始点加一个随机偏移用 hash 抖动打破固定间隔这样每帧采样位置错开时域累积后噪点会被平滑。需要注意抖动偏移幅度不能大于一个步长否则会引入新的闪烁。6.2 云发黑或暗部糊成一片症状云的背光面完全死黑或者暗部一点层次都没有。排查思路先确认散射路径是否乘上了能量补偿。我见过不少情况是只算了 localT 和 lightVis却忘了把 pow(lightVis, 多重散射系数) 加到散射项。另一个常见问题是 albedo 向量值设太低或者云密度太高导致透射率过早归零。建议把散射项拆开调试先只保留单次散射加一个纯白 SunColor确认云有基本受光再加入能量补偿幂函数调整幂指数观察暗部是否逐渐亮起来最后再叠加雾色和光柱就不容易把问题混在一起。6.3 云隙光柱闪烁或断断续续症状光柱亮暗剧烈跳动或者明明有大块云隙光柱却不连贯。排查思路优先检查遮挡采样的步数和步长。遮挡步数太少光柱内部会出现“断层”步长太长光柱会穿透薄云边缘产生闪烁。再看抖动是否作用到了光柱采样上。如果光柱采样路径是固定间隔时域累积会看到明显的条纹。实际操作中我把 LightStepSize 设置成与主步长不同的值并故意加一点偏移避免光柱采样和主步进产生共振闪烁会明显减少。6.4 云和场景穿插、遮挡异常症状山体、建筑边缘穿到云里或者云把明显该可见的物体盖住。排查思路检查云网格体是否写入了不透明深度。如果深度写入没关云会遮挡后面的物体如果深度读取方式不对云则不会被近处物体遮住。正确方式是云材质写到远裁剪面让半透明合成发生在场景之后。如果云和山体穿插严重还需要在密度场里加一个简单的距离场或噪声衰减把云层底部钳制到地形最高点之上或者把靠近地形的采样密度压低。后者实现简单效果自然也能防止云“钻地”。6.5 常见问题速查表表现可能原因处理方法云面噪点闪烁步长过大 / 噪声频率过高减步长、降细节噪声频率、加 hash 抖动云暗部死黑缺少多重散射能量补偿加 pow(lightVis, 0.5)提高 albedo光柱闪烁断层遮挡步长与主步长共振分开步长加随机偏移云被山体穿透深度写入/读取顺序不对推深度到远裁剪面调整混合顺序云整体过曝散射系数和 SunColor 太高压低散射率限制 albedo 到 1 以下云漂移重复感强单层速度、Tile 太小双层速度、增加随机相位调试体积云很依赖分步开关式排查每加一项特效就单独验证一次。我习惯保留一个“单次散射黑白模式”的开关任何问题先在这个模式下定位能排除掉一半干扰项。结尾及实用建议在整个工程推进中我个人体会最深的一点是风格化体积云的成败不在物理精确度而在密度场的可调性和光柱采样的连贯性。先把密度场调到“一朵云截出来能看”再做光学最后再碰光柱顺序一旦反了就会陷入反复调参数的怪圈。最后分享一个小技巧。早期我做光柱时总是直接在主步进里采样完就输出散射结果边缘特别硬跟刀切似的。后来我把光柱的采样位置根据当前密度做了一个指数衰减偏移密度越高的地方光柱遮挡采样越往太阳方向伸效果立刻柔和了很多。这个细节不会出现在教程里但实际观感影响非常大。如果你也在调云隙光柱不妨从这个方向试一下。