【GDC2017】Terrain Technology and Tools

04-26

育碧2017年的重磅分享。

先看一下效果視頻：

https://www.zhihu.com/video/953778110856957952

E3 2015:《幽靈行動:荒野(Ghost Recon:Wildlands)》擁有一個非常大的世界：

有11種生物群體，有140種材質：

有16平方千米的水面（湖、大江、小河）覆蓋：

有著數以百萬記的樹木、石頭、灌木：

有超過600km長的道路：

並且有超過90km的鐵路：

有58個村莊，和大量的建築：

整個介紹分為五個部分：

原型介紹
地表工具
地表渲染
Procedural 工具
結論

Houdini

https://www.zhihu.com/video/954842069030703104

首先，我們使用真實世界的數據優化了world machine生成的DEM（Digital Elevation Model)文件。然後，使用Houdini創建了一些工具用於：

自動生成帶有LOD的地表Mesh
根據坡度、海拔、粗糙信息、沖刷圖等生成地表materials分布信息
自動生成地表上的各種物件

Terrain Tools

Terrain Tools的目標是用Heightmap作為輸入：

然後得到一個豐富、真實的地表：

地表的效果需要達到這樣的目標：

有著大量細節的近景、震撼的遠景以及無縫過渡的中景
最高有著10texels/cm、1triangle/2cm的精度
玩家可以到達世界的任何一個角度，需要任何地方都有著一致、連續的效果

在Editor中，首先添加的一個功能是，刷地形工具：

工具基於GPU運算、可以實現在比較高的幀率下編輯大塊（2km*2km）地表。

製作一款遊戲的過程中，反覆迭代是在所難免的，地表編輯人員需要能夠快速的構建地表驗證想法、並且能夠快速的回退修改。

所以，我們提出了一個Layers的概念，Layers的幾種主要組成依次是：

Base Layer ：world machine的原始輸出
Macro Layer ：用地形筆刷做的修改（大的feature）

https://www.zhihu.com/video/954856571239464960

3. DCC層- Houdini生成的修改（會被後面講到的Benoit cover掉）

4. Manual Level （包含所有手動的修改，這一步沒有Houdini的參與）

Material Distribution

製作的目標是得到一個一致連續的、高質量的大世界。對於這麼大的一個世界，如果純靠手刷material的話，幾乎是不可能的。所以，必須使用自動生成的方式來得到material分布信息。

舉個例子，生成material一個常用的rule，根據法線的z方向（有的引擎是y）可以得到一個比如雪的覆蓋信息：

更進一步的rules基於以下數據：

坡度
海拔
曲率
Noise
more...

基於這些信息，可以創建很多的rules，rules用棧的形式組織成為一個settings，棧中最後一條被滿足的rule會被採用並用於顯示。

效果：

https://www.zhihu.com/video/955212972574851072

除了自動生成的material之外，有些區域還需要一定程度的手刷操作。比如不同區域（有著不同的settings）之間的過渡區域需要手刷。手刷地表的視頻：

https://www.zhihu.com/video/955217206435426304

編輯之後的material分布結果會存成2個texture：

（1）Material ID map：用於存放材質ID

（2）Albedo map ：用於遠距離顯示（遠距離直接顯示顏色圖）

地表會被切成tiles，以四叉樹的形式組織，利用這種組織結構，可以比較方便對地表做相關優化：

LOD
Culling
Steaming

Terrain Rendering

每個地表的material（比如石頭material）會使用了以下幾種貼圖：

Roughness
Albedo
Specular Occlusion
Normal
Displacement

基於Displacement和Tesselation技術得到非常次時代的效果：

在整個遊戲的大世界中，有著140+種地表material。這裡，使用Texture2DArray，可以同時載入32個material：

接著，我們看一下具體的渲染過程。比如來渲染這樣一個地表：

第一步是根據material ID，取對應的textures：

再取3次，進行線性插值的結果（一共4次）：

為了解決斜坡的拉伸問題，沿著x方向、y方向分別採樣，做線性插值：

初版的效果雖然比較好，但是過多的貼圖採樣讓性能非常差（4次插值採樣、x軸和y軸：*2；一共採樣8種material）：

優化思路，不需要所有的地表區域都要考慮斜坡拉伸問題，所以將地表分為以下幾塊區域：

這樣，大部分地表（80%）上，只需要採樣4種material：

這個分割的過程是runtime做的。

另外一個比較大的挑戰是繪製道路。這裡的做法是，直接使用地表渲染來渲染道路（不用單獨的mesh表示道路）：

這樣做有幾個缺點：

道路的邊緣過渡不好處理
道路細節較少

這裡採用基於screen space的decal來提升細節：

但是，過多的decal導致overdraw很高，性能開銷比較大。

Virtual Texture

virtual texture是一個比較重要的優化方案。

它對material的blend進行pre-compute，然後存在一個集合里，在渲染的時候再進行查找使用。缺點是：

需要一個Feedback Pass
需要存海量的數據

我們需要對這些缺點進行優化，首先，考慮一下如何做Feedback Pass：

最簡單的方法是直接在CPU中進行計算，得到Tile identifier、Mip 信息（用於取Virtual Texture）。但是，CPU計算這種數據相對於GPU是很慢的（尤其是要支持4K屏幕）。如果要在一個小RT上做運算，又會丟失太多的細節。

最後採樣的方法是在G-Buffer Pass做這個事情：

使用一個3D Texture作為RT，3D Texture用UV、Mip作為坐標存儲Tile identifier。這一步之後，需要使用compute shader提取出missing parts。

用Virtual texture存儲Content的另外一個問題就是，數據量巨大。比如在高效果下，需要10texels/cm的貼圖精度。對整個大世界來說需要2P（1P = 1024T；1TB = 1024 G）的存儲空間。換而言之，就是不可能所有的blend都pre-computed。

最後採用實時生成Content的方案，分為以下幾步：

渲染materials和decals的blend結果到一個surface上
使用非同步的compute shader進行壓縮

要注意的一點是，所有的以上計算會被動態的分配到每一幀去計算，以保證幀率的穩定性。在1080P下，大概使用了218MB的內存：

通過Virtual texture的使用，大大降低了shader的開銷。

一些相關的計算性能的開銷數據：

Procedural Tools

Tools的幾個使用要點：

Scale

Tools必須同時支持不同的scale編輯
要同時控制好石塊和山峰不是一件容易的事

合作

在一個巨大的世界編輯中合作
跨兩個團隊合作

迭代

能夠比較方便的改變想法
能夠比較方便的實驗想法
Tool也是數據

保持地圖是playable的

Tools的幾個特點：

可調參；用戶可以在開發的過程中調整參數
確定性；對於同樣的輸入，可獲得同樣的輸出
Offline；數據需要烘焙
Houdini；基於Houdini
CPU；Houdini是基於CPU的，所以Tools也是主要使用CPU來計算

Houdini的使用是基於節點的，比如我們首先使用一個Displace節點讀取基本的高度圖：

然後，依次應用多個節點：

Houdini另外一個非常重要的功能就是生成大世界中的物件分布（Object）:

https://www.zhihu.com/video/955574788715016192

整個大世界中有80%的物件是Houdini自動生成的，這樣地編就可以專註於一些不能自動做的事：

關注整體畫面感-big picture
賦予世界意義-meaning
關注故事性-story

From The Ground Up - Terrain Drives Everything

地表只是整個世界的第一個Layer，我們需要在地表上構建其他的Layers（地表上擺放的物件）。在之前的討論中，我們只用到地表的height和splatting（material區分信息）。地表還可以有很多其他的信息（通過一定的規則提取）：

我們可以基於這些信息，來影響Layers的生成，比如：

基於Roughness信息，來決定擺放石頭還是植物
基於Wetness，來影響植物的擺放和地表的高光
基於Sunlight，來影響植物的擺放和ambient

在進一步講述之前，先來用一個簡短的視頻說明一下自動化生成Layers的過程：

https://www.zhihu.com/video/955578110574288896

Road Layer

首先，具體說一下Road的生成實現。對於Road，我們定義一些Waypoints，然後通過path finder來生成Road：

初始得到的路線是不太符合真實的，通過Anisotropic grid（http:://http://arches.liris.cnrs.fr/publications//articles//EG2010_ProceduralGenerationOfRoads.pdf）的方式進行了優化：

得到的Road線具有一定的多樣性。一個真實的例子，基礎地表：

生成Road後（有不同大小級別的Road）：

對於Road Layer，總結下來，它的輸入是：Way Points；輸出是：

Road Trajectories（Road的具體的線路）
Terraforming（高度修改信息）
Splatting（材質信息）
Bridges（生成的橋）

通過path finder生成路線的過程視頻：

https://www.zhihu.com/video/955588194415239168

Road Propsing Layer

跟Road相關的一些信息的生成：

Decals
圍欄
電線杆

Railways Layers

Railways（鐵路）的生成跟Road的生成有一定的區別，比如:

需要更小的坡度
轉彎很小
橋和隧道更多

視頻：

https://www.zhihu.com/video/955590647411953664

River Layers

在這個大世界中，有16平方千米的地圖面積是被水覆蓋的。所有的水幾乎都是相連的，然後按tile分成獨立的mesh（每平方千米一個mesh）。Rivers（河）和Lakes（湖）是地表的主要屬性，可以用地表工具生成出來。對於無數的Streams（小溪流），通過path finder生成，並匯聚到River里，River又匯聚到Lake。在生成這些Streams和Rivers時，會得到一個Flowmap（存在Vertex color上），用於渲染水的流動。