Cloud modeling and rendering

Abstract

Clouds play an important role in enhancing the realism of ambient and outdoor scenes in Computer Graphics (CG). However, rendering clouds and certain atmospheric elements remains a major challenge in this field. Their representation involves processes such as modeling, photorealistic rendering, and animation. The main objective of this project was to explore techniques for modeling and rendering clouds. To this end, code was developed in GLSL shader language to implement clouds, using the NAU3D application for code compilation. Different types of cloud modeling were studied, based on textures, geometric shapes, noise, real and/or satellite images. Volumetric clouds were implemented, following the approach of Schneider and Vos [2015], Hillaire [2016a], and Högfeldt [2016]. A volume was used in which the voxels were filled with information stored in a Weather texture. Cloud rendering was performed using the Ray marching algorithm. For cloud lighting, a study of differ ent light events was conducted independently of the participating media. Lighting in this implementation was adapted from formulas presented in Jarosz [2008] and Scratchapixel [2022b], taking into account that the participating media is the cloud. Various light phenomena were studied, including in-scattering. To address this effect, several phase functions were tested. Tests were also conducted to evaluate computational costs, such as the time spent on GPU rendering of the implemented cloud shader and the required FPS for rendering the atmosphere with clouds. These tests were performed to understand the balance between computational cost and visual results, allowing for customization of parameters based on this balance. The visual results obtained did not reach the level of state-of-the-art realistic clouds in CG, but there is room for improvement in the implemented clouds.

As nuvens representam um papel importante no aumento do realismo de ambientes e cenas externas em computação gráfica (CG). A renderização de nuvens e alguns elementos da atmosfera ainda representam um grande desafio nesta área. A sua representação envolve processos como modelação, renderização fotorrealista e animação. O principal objetivo deste projeto foi explorar as técnicas de modelação e renderização de nuvens. Neste sentido foi desenvolvido código em linguagem de shaders GLSL para se implementar nuvens. A aplicação usada para compilar o código foi a NAU3D. Estudou-se os diferentes tipos de modelação de nuvem baseados em texturas, figuras geométricas, ruídos, imagens reais e/ou de satélite. Optou-se por se implementar nuvens volumétricas, seguindo a abordagem de Schneider and Vos [2015], Hillaire [2016a] e Högfeldt [2016]. Utilizou-se um volume no qual os voxels foram preenchidos com informação armazenada numa Weather texture. A renderização das nuvens foi feita através do algoritmo de Ray marching. Para a iluminação da nuvem, foi realizado um estudo dos diferentes eventos de luz independentemente do participating media. Para elaboração da iluminação nesta implementação, foram adaptadas as fórmulas apresentadas em Jarosz [2008] e Scratchapixel [2022b], tendo em conta que o participating media é a nuvem. Vários fenómenos da luz foram estudados, incluindo o in-scattering. Para tratar esse efeito foram testadas várias funções de fase. Foram também realizados testes para se avaliar o custo computacional, como o tempo em GPU gasto apenas na renderização do shader das nuvens implementadas e os FPS requeridos para a renderização da atmosfera com as nuvens. Estes testes foram feitos de forma a se perceber o balanço entre o custo computacional e os resultados visuais, permitindo assim personalizar os parâmetros tendo em conta este equilíbrio. Os resultados visuais obtidos não atingiram o nível do estado de arte de nuvens realistas em CG, mas existe margem para as nuvens implementadas serem melhoradas.