GPU Gems 2 · Chapter 18. Using Vertex Texture Displacement for Realistic Water Rendering

学习目标

• 能解释 vertex texture displacement 如何把时间变化的高度场映射到水面顶点，并说明它受网格密度与纹理寻址的约束
• 能实现两张滚动高度纹理的混合、位移后 normal reconstruction，并区分几何更新、光照更新和反射采样
• 能调节 VertexWaterLab 的波形、网格密度与相机距离，定位法线滞后、边界接缝和远景顶点浪费

先把“水面动画”拆成几何、法线和采样

真实水面不是一张会移动的蓝色图片。镜头靠近时，波峰会改变轮廓；光线移动时，高光又会沿波面改变；镜头拉远后，屏幕上一个像素可能覆盖很多个波纹。要把这三个现象同时表达出来，需要让高度场参与顶点位置、让位移后的邻域参与法线，并让细节层级匹配屏幕覆盖率。

先打开实验，固定相机距离，分别改变 wave time、wave B mix 和 grid density。预测哪一个旋钮会改变几何轮廓，哪一个只改变相位；再切换 normal debug 与 LOD debug，观察水面是否“形状在动但高光不动”，或远景仍在处理近景级别的顶点。

Vertex texture displacement 水面实验

先改变高度场，再打开法线与 LOD 调试，观察几何、光照和带宽如何互相约束。

位移网格法线调试LOD 调试

wave time：2.4wave B mix：42%grid density：18camera distance：4.5

位移网格显示高度场的几何结果；时间变化只改变相位，不能替代索引/边界更新。

重置

vertex texture displacement height field

把水面管线分成四段：CPU 或材质状态提供时间、波形参数和网格；顶点阶段通过 UV 读取 height field 并修改位置；几何之后重建或传递正确法线；像素阶段再进行反射、折射、雾和颜色合成。任何一段使用了不同的 UV、时间或坐标约定，都会出现“几何在动但光照不跟随”的错觉。

1. 用高度场推动规则网格

规则网格的每个顶点可以携带 $(u,v)$。将 UV 映射到水面局部坐标 $(x,z)$，从一个或多个高度纹理读取 $h$，再沿水面法线方向写入位置：

$$p'(u,v,t)=p_0(u,v)+hat{n}_{up}\,A\,h(u,v,t),$$

其中 $A$ 是世界单位中的位移幅度。关键是 $h$ 的采样和网格位置必须使用相同的空间尺度；如果纹理滚动速度以 texel 为单位而网格以米为单位，波速和波长会随着物体缩放悄悄改变。

两张或多张高度纹理可以用不同方向和速度滚动，再按 mix 权重叠加，以减少单张纹理的重复感。混合不应只叠颜色：高度、法线和用于反射的微表面方向必须来自一致的波场。高度纹理的 wrap 方式也会影响边界，周期 tile 可以无缝循环，但 clamp 会在边缘形成水平带。

Gerstner wave

如果采用解析波而不是纹理，Gerstner wave 可以直接给出位置和导数，便于得到更尖的波峰；但多个波相加时要限制总振幅，否则波面会穿过海床或产生不合理的自交。纹理高度场更适合把离线模拟或艺术家绘制的细节搬到 GPU，代价是纹理带宽、寻址和 mip 选择。

2. 位移后法线决定高光是否可信

位移几何改变了表面切线，原始平面法线不能继续代表水面。最直接的重建方法是对同一个时间和高度函数采样两个相邻点：

$$T=p'(u+\epsilon,v,t)-p'(u,v,t),\qquad B=p'(u,v+\epsilon,t)-p'(u,v,t),\qquad N=normalize(T\times B).$$ normal reconstruction

这里的 $epsilon$ 应与一个 texel 或网格边长相关，而不是永远使用一个随场景缩放失效的常数。若法线在顶点阶段重建，可以把结果随顶点传给像素阶段；若水面采用更密的像素级法线细节，也要保证低频几何法线与高频法线贴图的切线框架一致。两套法线使用不同时间或不同 UV，会让反射高光出现相位漂移。

水面材质通常还会使用 Fresnel 权重、反射环境和折射颜色。几何位移负责轮廓，法线负责局部方向，Fresnel 负责视角依赖的反射比例；不要用把蓝色加亮的方式代替这些证据。调试时可以先关闭雾和泡沫，只显示法线方向，再逐层恢复反射与折射。

3. 网格密度与 level of detail

level of detail

本章的主题是 Using Vertex Texture Displacement for Realistic Water Rendering：把高度场送入顶点阶段，形成可被镜头观察到的波形轮廓，再用法线和反射完成水面外观。

顶点纹理位移只能移动已有顶点，不能凭空增加几何。若一个波峰在屏幕上覆盖多个像素但网格只有一条边，增加 height texture 分辨率也不会让轮廓变细；反过来，远处一个像素覆盖大量波纹时，仍使用近景密度会浪费 vertex fetch 和变换工作。

LOD 需要同步考虑四项：网格顶点数量、height map 的 mip 或采样 footprint、法线重建邻域，以及位移幅度与包围盒。块状水面可以用环形网格或分块 LOD，让靠近相机的区域更密；相邻环之间要用共享边、裙边或约束采样消除裂缝。远景也可以把高频波纹转移到法线或反射扰动，但这改变的是表现层级，不是几何轮廓。

三步实验：从高度采样到可信光照

每一步只改变一个变量，并以“位置、法线、屏幕细节”三类证据记录结果。只要出现接缝或高光跳变，就先固定时间和相机，不要继续增加波形复杂度。

⚡分步1 / 3

1. 1
2. 2
3. 3

重置

第一步：验证 height field 到位移位置

保持 grid density 不变，只改变 wave time 与 wave B mix。先预测水面轮廓和高度范围，再在位移网格模式中检查 UV 滚动、振幅和 tile 边界是否连续。

上一步播放下一步

常见误区

本章小结

• Using Vertex Texture Displacement for Realistic Water Rendering 的核心是：在顶点阶段从 height field 读取高度，把规则网格变成有轮廓的水面几何。
• 多张滚动高度纹理或 Gerstner wave 可以降低重复感、表达传播方向，但 UV、时间、振幅和边界必须保持一致。
• 位移后必须执行 normal reconstruction；位置改变、法线改变和 Fresnel 反射是不同层次的证据。
• level of detail 要同时协调网格、height mip、法线邻域和块边界；纹理分辨率不能替代缺失的顶点。
• 发布前用固定的边界、相机移动和时间回归检查接缝、裁剪、高光相位与远景成本，而不是只看静态近景截图。

练习

问题 1｜定位平面水面。 高度纹理在调试视图中确实有波纹，但最终水面轮廓仍是平面。请给出排查顺序。

查看答案

先检查顶点阶段是否真的执行 vertex texture displacement，而不是只在像素阶段采样高度；再检查 UV 是否随时间更新、height 是否按正确通道和单位解码、up 轴和振幅是否非零；最后检查输入网格是否有足够顶点以及裁剪/包围盒是否把位移后的顶点拒绝。纹理有内容不等于顶点位置使用了它。

问题 2｜诊断高光滞后。 水面轮廓已经随时间变化，但镜面高光方向几乎不变。请解释原因并提出修复。

查看答案

最常见原因是位置更新了而 normal 仍是原始平面法线，或法线重建使用了不同时间、UV 和位移尺度。用同一位移函数对相邻位置求差分，计算并归一化 $T\times B$，再确保切线框架和反射/折射阶段使用同一坐标空间；之后分别显示法线、反射和 Fresnel，避免把颜色调亮当成修复。

问题 3｜设计水面 LOD。 近景需要尖锐波峰，远景希望降低顶点和纹理成本。你会同步调整哪些量，如何验证不会出现裂缝？

查看答案

依据屏幕覆盖率选择分块网格密度，同时选择匹配的 height mip 或采样 footprint，调整 normal reconstruction 的邻域，并为相邻块使用共享边、裙边或约束采样。验证时固定波相位，逐步移动相机穿过 LOD 边界，比较位置、法线、反射和 GPU vertex/texture 计数；若只减少顶点而保留近景采样，成本不会按预期下降。

名词解释

本章出现的专业名词，用大白话再讲一遍。

vertex texture displacement

height field

Gerstner wave

normal reconstruction

level of detail