Houdini技術體系 基礎管線（四） ：Houdini驅動的UE4植被系統 上篇

背景

以前在《Houdini技術體系 過程化地形系統（一）：Far Cry5的植被系統分析》一文中已經對AAA遊戲中過程化植被的需求有了必定的定義，後續工做就是如何用Houdini開發功能需求定義的節點，以及對應UE4的Houdiin Engine來制定過程化管線。Houdini的HDA的開發放在 過程化地形系統部分講解，這裏主要是講解工做流程的制定。FC5的分析以前，也大體介紹了UE4的植被系統。這裏再肯定下植被系統工做流方面的需求：

• Houdini Input：UE4 要輸入什麼給Houdini
• 所選擇Landscape Component部分的地形信息
• 美術提供的選擇區域，能夠是繪製的Mask，也能夠是Curve的選框
• 與HDA中對應的植被資源參數，簡單的能夠用Houdini Engine ，完善一些的話最好是一個json或xml的描述文件，或者UE4的DataTabel。
• 除了HeightMap外的Mask信息，還有峭壁，湖泊，電線杆，柵欄等不能擺放植被的區域Mask

• Houdini Ouptut：Houdini要輸出什麼給UE4
• Entity Point Cloud：每一個點包含了對應的植被實體，以及實體的Positon，Rotation，Scale等Transform信息
• Terrain  Data：例如樹根對地形隆起的變化，樹根部分對地表材質Mask的影響，地表的顏色等
• Mask Data：草體佈局信息的Mask貼圖

• UE4植被系統的支持
• Houdini Instance與UE4 Foliage Type的Instance的對應
• Houdini Biome Mask與UE4 Grass Type的對應
• Houdini閉環修改與UE4 Foliage System的對應。

 

那麼，這裏就以實現這些需求爲目標，介紹下實現基於Houdini的UE4植被系統的基礎管線所要注意的事項。

Houdini的Input設置

    在以前FC5的植被系統的需求分析中也能夠得知，最新的AAA遊戲中，一平方千米場景裏就有60w左右的植被實體，而最近的一些UE4大世界遊戲和手遊，也一般在6x6~8x8km左右。在策劃和美術的迭代開發中，每次都要生成整個場景的植被再看效果的話，會極大的影響開發效率，對大團隊的多人協做開發也很不友好。因此這裏也要像以前的地形管線同樣，以FC5的過程化系統爲原型，能夠支持美術或策劃來選擇和繪製生成區域，讓Houdini的過程化生成隻影響這一部分選擇區，這樣不但能夠利用UE4的WorldComposition的功能多人工做，也能夠經過UE4自帶的繪製Selection Region Tool，讓美術更進一步的控制過程化的影響區域，減小生成時間，提高迭代效率。

 

以下圖所示，FC5的植被系統，支持相似UE4的Component和Paint Region來做爲Terrain Data，

    

 

在上文中，也總結到UE4裏FC5植被系統的Input，有如下幾項：

• 所選擇Landscape Component部分的地形信息
• 美術提供的選擇區域，能夠是繪製的Mask，也能夠是Curve的選框
• 與HDA中對應的植被資源參數，簡單的能夠用Houdini Engine ，完善一些的話最好是一個json或xml的描述文件，或者UE4的DataTabel。
• 除了HeightMap外的Mask信息，還有峭壁，湖泊，電線杆，柵欄等不能擺放植被的區域Mask

    

    關於如何肯定Input Terrain Data， Landscape Component的選擇在地形管線部分已經幾回講到了。幸運的是，UE4除了Component Select Tool以外，在Terrain Sculpt Tool裏提供Region Selection Tool的功能，這個要比Component Select Tool更加靈活和便捷。但和Component Select Tool同樣，這個功能對原生的Houdini Engine並不適用...

如上圖所示，Region Selection Tool是Terrain Sculpt Tool裏的功能，不過能夠借用這個功能來做爲Input的Mask Paint來使用。接下來看下怎麼擴展Houdini Engine把這個Mask做爲Input傳到Houdini裏去。

     Region Selection Tool繪製的Mask的方式，當使用者繪製時，會在FLandscapeToolStrokeMask::Apply函數里根據筆觸和權重值，把繪製值添加到class ULandscapeInfo的TMap<FIntPoint,float> SelectedRegion 裏的， 只有繪製過的區域纔會保存在 SelectedRegion裏，其中FIntPoint表明的是在Landscape裏的XY位置信息，做爲整型保存，而float爲繪製Mask的權重。

     拿到了SelectedRegion後，就是要在Houdini Engine裏把它做爲Mask，輸入到HDA中進行處理。Houdini Engine是在FHoudiniLandscapeUtils::CreateHeightfieldFromLandscapeComponent函數裏對Height Data和Mask Data進行Input打包的，這裏選擇在這個函數里加入SelectedRegion的Mask的打包工做。

    首先，是根據Houdini裏一個Landscape Component的大小MaxX x MaxY，建立出對應的 SelectedRegion大小的Mask數組。在LandscapeInfo的SelectedRegion裏查找每一個點的信息，若是有就複製到對應位置，沒有則設置爲0。這樣，提供給Houdini使用的SelectedRegionData就完成了。

   TArray<float> SelectedRegionData;
　　for (int32 X = MinX; X <= MaxX; X++)
　　{
　　　　　　for (int32 Y = MinY; Y <= MaxY; Y++)
　　　　　　{
　　　　　　　　float RegionSelect =  
　　　　　　　　LandscapeInfo->SelectedRegion.FindRef(FIntPoint(X, Y));
　　　　　　　　SelectedRegionData.Add(RegionSelect);
　　　　　　}
　　}                

　　

接下里，跟LayerMask一樣的方式，經過C++代碼建立一個名爲SelectedRegion的Mask節點，並跟其餘的Volume Merge到一塊兒。

 

　　FString LayerName = "SelectedRegion";

　　HAPI_NodeId LayerVolumeNodeId = -1;
　　if (!CreateVolumeInputNode(LayerVolumeNodeId, LayerName, ParentId))
　　　　return false;

　　HAPI_PartId CurrentPartId = 0;
　　if (!SetHeighfieldData(LayerVolumeNodeId, CurrentPartId, 
　　　　SelectedRegionData, SelectedRegionLayerVolumeInfo, LayerName, 
　　　　ComponentIndex))
　　　　　　return false;

　　if (!CommitVolumeInputNode(LayerVolumeNodeId, InputMergeNodeId, 
　　　　MergeInputIndex))
　　　　return false;

　　MergeInputIndex++;            

　　

另外， ULandscapeInfo提供了把繪製的SelectedRegion轉爲Selected Component的功能，這樣繪製過過程化的影響區域後，就不用再選擇一次Landscpe Component了。這個修改也很簡單，在FHoudiniEngineUtils::HapiCreateInputNodeForLandscape函數裏，當沒有selected components時，就把繪製的區域轉換成SelectedComponents。

if ( LandscapeInfo )
{
　　// Get the currently selected components
　　SelectedComponents = LandscapeInfo->GetSelectedComponents();
　　// 若是沒有selected components，則從繪製區域獲取selected components
　　if (SelectedComponents.Num() == 0)
　　　　SelectedComponents = LandscapeInfo->GetSelectedRegionComponents();	
}        

 

把名爲「 SelectedRegion」的Mask做爲Input輸入到HDA後，須要在HDA裏對應這個Mask Layer來識別。在HDA的Heightfield Noise節點裏，把 SelectedRegion做爲Mask Layer來使用

 

這樣HeightField只有在有Mask的部分會有Noise的效果，這個一樣也能夠用在植被的Entity Point Cloud的生成上。

 

下圖的效果，就是在繪製的'X'的區域內，對9個Landscape Component產生噪聲變化。

 

繪製選區一般是控制比較大的區域，而若是是要生成小範圍的區域，建議像下圖這樣用Curve Input來控制區域了。

    如何建立一個Curve Input的方法，在Houdini技術體系 基礎管線（三） ：UE4以選擇區域的方式對地形作生成和更新 上篇 和官方文檔 https://www.sidefx.com/docs/unreal/_curves.html裏都有詳細介紹，也是有建立SOP或添加 Operate Path兩種方法。這裏就很少作敘述了。

 

     除了HeightData選區外，Input還須要有擺放的UE4植被列表（Biomes List），植被列表一般是用xml，json，或者ue4的datatable來記錄每種植被在HDA節點裏屬性以及在UE4中使用資源的對應關係。而後在HDA裏經過Python腳原本加載讀取，即使是比下圖FC5用例更復雜的HDA節點串聯和配置，也能夠藉助Python自動化，徹底擺脫人力基於配置文件自動化的建立和鏈接。Houdini的Python腳本使用在後續的基礎管線部分講解，本節出於篇幅關係，使用Geometry Input做爲簡化版的Biome Input。

 

  而相似各類像湖泊，峭壁，電線杆等的Mask過程化生成的Mask，這裏假設你已經經過其餘方式導出了Mask圖，或者準備在Houdini裏經過Mask By Feature或Mask By Object來生成。在管線部分也就不浪費篇幅了，會在以後具體的地形篇的植被製做部分再作詳細介紹。

 

HDA的製做以及Ouput的對應

FC5的HDA的Output分爲兩大類

• Entity Point Cloud
• Terrain Data

    基於Input生成Entity Point Cloud的原理很是簡單，在去年的 在 Houdini HIVE at SIGGRAPH 2017上，Procedural Scattering in Houdini Engine and Unity 的Talk上介紹的就涵蓋了所有的基礎知識。就以下圖所示，根據Terrain，Curve以及資源實體的Inptu，按必定規則在引擎裏進行過程化擺放。

視頻連接： https://vimeo.com/228231127   ，對應hda的下載地址：https://www.dropbox.com/s/iv840ldw5tn4lw1/scatter_tool.hda?dl=0 。雖然跟FC5的實現相比還有不小的差距，在管線篇中做爲基礎參考綽綽有餘，有興趣的能夠下載來看看。這裏也借用它簡單介紹下使用的相關節點和功能。

下圖中，Setup中的三個Input，分別對應的Terrain Data，Curve Select和Biome Instance。

 

這裏先建立個臨時的Terrain和Curve來作測試使用。

結果就是在Curve選擇範圍的Terrain上，隨機Scatter了必定數量的Entity，這裏用紅色的Box做爲代理體顯示。

 

這裏參數不變，把scatter換成heightfield scatter

 

這樣，只有繪製了Mask的紅色區域纔會被放置Entity。

 

可是示例的這個Scatter Tool也有不適用的地方。首先就是把物體賦予到Entity Point Cloud的Copy節點，並不能對應UE4的Instanced Mesh，這樣Output到UE4裏的話，每一個樹木實體都會建立爲一個Static mesh，會讓過程化生成和最後運行的效率都變得很是差。最好映照按照官方文檔的建議，用支持Instance的Copy to Point節點替換掉Copy Stamp節點。

 

這裏根據地形坡度生成mask，而後把Mask轉爲Point Cloud來擺放樹木，來比較 Copy to Point節點和Copy Stamp節點的區別。

這裏使用heightfield_maskbyfeature，生成Slope爲20~70範圍的Mask。在 一塊小的地形上生成100顆樹來對比下生成效果。

 

首先是用 Copy Stamp節點，選擇好地形和植被實體後，通過20~30秒的卡頓後，有90多個植被生成出來。這個生成的時間和植被數量比，使用體驗很難讓場景美術接受。

 

不管是Bake成BP仍是Actor，全部的樹都會被Batch成一個Static Mesh，這樣對圖形程序作植被渲染優化也很是不友好

 

和Copy Stamp那20多秒的處理時間相比。。替換爲Copy to Point節點，在選擇完Input的植被實體和地形後的瞬間（1秒內），幾乎沒有感受到任何延遲的，就完成了100顆樹木實例的擺放工做。

把植被Bake成一個BP後，能夠看到全部的樹木被Bake到一個Instanced Static Mesh組件裏，而每顆樹做爲一個Instance保存。也正是由於它採用的Instance的方式，纔會有那麼快捷的生成速度。這個效率對場景美術迭代來講足夠了，但InstancedStaticMesh並不支持LOD模式，用來批量放置的植被實體原有的LOD信息也丟失了。這裏應該是建立 HierarchicalInstancedStaticMeshComponent才能支持LOD。

 

    如何生成 HierarchicalInstancedStaticMeshComponent的Actor或BP，能夠參考  void  UHoudiniAssetInstanceInputField::AddInstanceComponent( int32 VariationIdx )的函數。當Static Mesh有多個LOD時，Houdini Engine會用HierarchicalInstancedStaticMeshComponent替換Instanced Static Mesh

UInstancedStaticMeshComponent * InstancedStaticMeshComponent = nullptr;
if ( StaticMesh->GetNumLODs() > 1 )
{
    // If the mesh has LODs, use Hierarchical ISMC
    InstancedStaticMeshComponent = NewObject< UHierarchicalInstancedStaticMeshComponent >(
    RootComp->GetOwner(), UHierarchicalInstancedStaticMeshComponent::StaticClass(), NAME_None, RF_Transactional);
}
else
{
    // If the mesh doesnt have LOD, we can use a regular ISMC
    InstancedStaticMeshComponent = NewObject< UInstancedStaticMeshComponent >(
    RootComp->GetOwner(),UInstancedStaticMeshComponent::StaticClass(), NAME_None, RF_Transactional );
}

　　

這裏保證樹的實體有LOD，而且在HDA Input 勾選Export LODs    

再次Bake，能夠看到是 HierarchicalInstancedStaticMeshComponent，每一個Instance也有以前的LOD信息了。

 

    姑且算是支持了最基礎的Entity Cloud Point的Output，但距離實際項目需求還很遙遠，就像Input須要支持Biomes List配置表的讀取同樣，Output出於維護和調試的考慮，最好也是能支持Biomes List的輸出，並且，雖然提供給場景美術繪製影響區域的功能，但BP的保存方式，對Houdini的閉環迭代也並不足夠的友好，當美術須要對一些細小地區作頻繁迭代時，新生成的植被如何去替換BP裏已經生成植被也是個問題，解決方法只能整個BP對應區域從新生成一次。 這須要美術在設計初期就對植被佈局策略和種類考慮清楚。 還有就是UE4除了Foliage Type外，還有Grass Type的植被的支持。 這些會放在以後如何UE4植被系統整合的部分來說解。

 

FC5的植被系統除了 Entity Cloud Point以外，還有如下的Terrain Data的Output。

其中Terrain HeightMap和Forest Mask，均可以經過以前地形管線中介紹的方法傳遞給UE4，而Texture ID，由於FC5的地形渲染有TextureArray支持，而UE4則受限於每一個Component4個Landscape Layer的限制，因此Layer與Texture的對應又是在Mateiral裏綁定的，須要修改UE4引擎源碼才能支持，但這就超出Houdini技術體系範疇了。這裏介紹一個臨時的折中辦法，經過直接去修改約定好的對應的Layer的Mask權重的方式，來實現 UE4裏要根據輸出的Houdini Output的去改變Layer的Texture ID的需求。

 

首先，用RegionTool繪製一塊區域來生成植被

 

這裏就只簡單的根據繪製的Mask部分Scatter生成Point Cloud，效果以下

 

接下來實現一下Terrain Data的Output的功能，不管是Terrain Texture仍是Terrain Deformation的輸出原理上都是在植被必定範圍內生成Mask，再把這個Mask轉化爲Layer Data或者Height Data，傳遞給UE4。

 

出於跑通管線的目的，這裏在HDA裏作一個簡單的實現。在houdini里根據Scatter生成的Point Cloud，使用Sphere來生成出Mask，再根據這個Mask來提高地形高度，並把Mask輸出位樹根部所對應的Landscape Material Layer的值。

在測試場景上選擇一個生成區域

有擺放植被的周圍地形改成了另一種Layer。

樹根附近的地表高度也被提高了。和FC5那種按照樹根形狀來提高高度的效果相比仍是有差距。

 

總結

上篇中，簡單的介紹瞭如何在UE4裏實現相似FC5植被系統的管線，但還有問題等待解決

• 雖然植被實體能夠被Bake爲HierarchicalInstancedStaticMeshComponent或InstancedStaticMeshComponent來近似UE4Foliage Type的渲染方式，但並不支持GrassType的類型。
• Point Cloud生成的植被只能Bake爲場景中的Actor或BP而不是Foliage Type，並不能與UE4的Foliage System融合，在迭代和修改中增長了額外的負擔。
• 示例中的HDA只支持1種植被，生成策略也很是簡單，並且也不支持BiomeList的讀取，和FC5有至關大的差距。

對於前兩點，會在Houdini驅動的UE4植被系統 下篇中有進一步解決方案的介紹，只有整條UE4的植被基礎管線完成後，才能把魚FC5近似的Houdini功能集成到UE4裏，這部分HDA的製做會在地形系統篇中進行具體講解。