The article discusses methods for implementing visual weather effects in real-time rendering: particle systems for rain and snow, as well as techniques for reproducing wet surfaces and puddles using decals and procedural shaders. The principles of particle systems, approaches to simulating raindrop traces on surfaces, and methods of dynamic moisture and snow accumulation are described.

Keywords : particle system, decal, weather effects, rain, snow, puddle, GPU particles, shader.

Введение

Динамические погодные условия являются одним из ключевых факторов атмосферы и погружения в открытых игровых мирах. Дождь, снег и их следы на поверхностях создают ощущение живого, изменяющегося мира и несут важную нарративную функцию: тяжёлый ливень нагнетает напряжение, снегопад создаёт ощущение изоляции, влажный асфальт меняет восприятие городского пространства. Реализация таких эффектов требует одновременного применения нескольких технологий: систем частиц для самих осадков, декалей и процедурных шейдеров для следов на поверхностях, а также динамических масок накопления [1, с. 2]. Цель данной статьи — последовательно изложить принципы работы каждой из этих технологий и оценить их применимость в условиях реалтаймового рендеринга.

1. Системы частиц для осадков

1.1. Принципы работы системы частиц

Система частиц — это генератор большого числа небольших объектов (частиц), каждый из которых имеет собственные параметры: позицию, скорость, время жизни, цвет и прозрачность. Частицы порождаются эмиттером, обновляются по законам физики на каждом кадре и уничтожаются по истечении времени жизни [2, с. 45]. Для осадков эмиттер, как правило, размещается над камерой и движется вместе с ней, чтобы осадки всегда заполняли видимую область сцены.

Современные движки — Unreal Engine 5 (Niagara) и Unity (VFX Graph) — обрабатывают частицы на GPU, что позволяет оперировать сотнями тысяч частиц при минимальной нагрузке на CPU. Каждая частица хранится в структурированном буфере; вычислительный шейдер (compute shader) обновляет позиции и параметры всех частиц параллельно за один проход [3].

1.2. Дождь

Капля дождя в реалтаймовой графике представляется вытянутым биллбордом (billboard) — четырёхугольником, всегда ориентированным на камеру. Текстура капли содержит полупрозрачный вытянутый штрих; его длина масштабируется в зависимости от скорости частицы, имитируя эффект motion blur, наблюдаемый при фотографировании дождя с выдержкой [4, с. 3]. Ветер моделируется добавлением горизонтального ускорения к вектору скорости частицы.

Для повышения реализма применяется несколько слоёв дождя с разной плотностью и скоростью: ближние капли крупнее и быстрее, дальние — мельче и медленнее, что создаёт эффект пространственной глубины. Дополнительно в шейдере дождя используется маска видимости, исключающая появление частиц внутри геометрии сцены путём сравнения с буфером глубины.

1.3. Снег

Снежинки моделируются сферическими биллбордами меньшего размера с более низкой скоростью падения и выраженным случайным горизонтальным дрейфом, имитирующим порывы ветра. Ключевое отличие от дождя — взаимодействие с поверхностями: частицы снега не уничтожаются немедленно при столкновении с геометрией, а «оседают», инициируя накопление снежного слоя [1, с. 8]. Для обнаружения столкновения используется тест глубины: если позиция частицы по Z совпадает с буфером глубины с заданным допуском, частица считается приземлившейся и передаёт сигнал системе накопления.

1.4. Лужи с помощью декалей

Декаль в современных движках — это проекционный объём (как правило, ориентированная рамка), внутри которого поверхности сцены перекрашиваются по данным текстуры декали [6, с. 1]. Для луж декаль проецирует маску формы лужи на подлежащую геометрию и замещает параметры G-буфера: Roughness обнуляется, Normal Map заменяется картой ряби, Albedo добавляет тёмное тонирование. Декали луж расставляются художником вручную или процедурно — в низинах рельефа, определяемых по карте высот или спавнятся системой погоды в точках с горизонтальными нормалями.

Рябь на поверхности лужи анимируется прокруткой нескольких слоёв нормальных карт с разными скоростями и направлениями, а также процедурной генерацией концентрических волн от падающих капель.

Заключение

Визуальные эффекты погоды в реалтаймовом рендеринге представляют собой комплексную задачу, решаемую на нескольких уровнях: от моделирования отдельных частиц осадков до глобальной модификации материальных параметров поверхностей. Системы GPU-частиц обеспечивают масштабируемую и визуально убедительную симуляцию дождя и снега; процедурные шейдеры влажности и декали луж воспроизводят вторичные эффекты взаимодействия осадков с поверхностями; render texture позволяет накапливать и сохранять состояние покрытия в реальном времени. Грамотное сочетание этих инструментов позволяет создавать погодные системы, не только визуально убедительные, но и достаточно производительные для работы на широком спектре целевых платформ.

Литература:

1. Tatarchuk N. Artist-Directable Real-Time Rain Rendering in City Environments // GPU Pro. — CRC Press, 2010. — С. 1–24.
2. Reeves W. T. Particle Systems — A Technique for Modeling a Class of Fuzzy Objects // ACM Transactions on Graphics. — 1983. — Vol. 2, № 2. — С. 91–108.
3. Epic Games. Niagara Visual Effects [Электронный ресурс] // Unreal Engine Documentation. — URL: https://dev.epicgames.com/documentation/en-us/unreal-engine/niagara-visual-effects-in-unreal-engine (дата обращения: 03.06.2025).
4. Glatzel C. Rendering Rain // ShaderX5: Advanced Rendering Techniques. — Charles River Media, 2006. — С. 1–14.
5. de Vries J. PBR Theory [Электронный ресурс] // Learn OpenGL. — URL: https://learnopengl.com/PBR/Theory (дата обращения: 04.06.2025).
6. Unity Technologies. Decal Projector [Электронный ресурс] // Unity HDRP Docs. — URL: https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.render-pipelines.high-definition@14.0/manual/Decal-Projector.html (дата обращения: 05.06.2025).