Houdini技術體系過程化地形系統（一）：Far Cry5的植被系統分析

時間 2019-11-06

標籤 houdini 技術體系過程地形系統 far cry5 植被系統分析简体版

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背景

在大世界遊戲裏，植被（biome）是天然環境很是重要的組成部分，雖然UE4裏的也有比較不錯的地形+植被系統，但相比國外AAA級遊戲的效果，仍是有很多的差距，簡介以下：

UE4的植被分爲（Folige Type）和（Grass Type），都是經過HierarchicalInstancedStaticMeshComponent來進行實例渲染，但生成方式不一樣

Folige Type能夠帶有碰撞信息，經過Foliage Paint tool或Procedural Foliage Volumes 預先生成和放置，再跟隨場景讀取時加載。
Grass Type本身不帶碰撞，根據所在的Material Layer和設置預生成密度圖，在運行時根據攝像機來生成視野周圍的Grass。

兩種方式在擺放上都會有很多的限制

當一塊地表上出現多種Foliage或Grass時，仍是會產生不一樣類型植被之間的競爭和重疊的狀況
Folige Type在特別是石塊，樹木，草體都存在的狀況下，增減修改都會變的很麻煩
佈局上仍是要人爲的控制，一旦場景地形要修改，就要從新各類刷新或配置Foliage Type，Grass Type也要跟着刷Material Layer來改變。
Procedural Foliage Volumes能夠必定程度上減小Paint的工做量，但可控的參數過少。

因此植被的過程化系統不管是表現上，性能上，仍是迭代的便利性上，都是很是重要的部分。近兩年GDC上，Ubisoft在 Tom Clancy’s Ghost Recon: Wildlands和Far Cry 5（後簡稱FC5）的過程化植被生成上都有不錯的分享。這裏我把Houdini的植被系統實現分爲三部分來分享，在基礎管線部分主要是Houdini的植被系統與UE4的植被系統如何作銜接，過程化地形部分本節先會分析FC5的實現機制，下一節介紹如何在Houdini和UE4環境下實現相似功能。

Far Cry 5的植被系統概述

植被的分層結構：每一個地塊有一個生態組（Main Biome），而主生態組又包含若干的子生態組（Sub Biome）。FC5裏把一個Sub Biome結構稱爲Recipes，每一個Recipes由表明不一樣的區域和種類來命名，好比biome_moutiain_forest，表明的是山上的樹林。而一個Recipes裏則是若干個Species組成，每一個Species表明的是Recipes對應區域和生態裏一個植物或物件種類的生成。

Houdini與分層的聯繫：每一個Species其實都是一個Generate Terrain Entities的Houdini HDA節點，把HDA節點一個接一個的連在一塊兒組成Recipes（Sub Biome），而全部的Recipes再鏈接在一塊兒成爲一個Main Biome。每一個HDA能夠讀取地形Mask信息和它的配置參數，輸出本身對應的植被的擺放信息，而連在後面的HDA會根據前面HDA留下的信息，經過HDA內置的參數和算法，肯定是否會覆蓋前一個HDA的生成信息。

地形數據信息：根據地形的高度信息，生成不一樣的Mask信息，以及用戶手繪的數據

包括Occlusion，Flow，Slope，Curvature，Illumination等經過高度生成的信息，以及海拔，經緯度，風向等人工輸入的信息
湖泊，道路，柵欄，電線杆，峭壁等其餘過程化生成的Mask信息也會被導出保存爲2D貼圖，確保植被不會生成到這些區域。

每一個Speicies對應的 Generate Terrain Entities都是同一個HDA節點，只是根據對應不一樣植被實體有不一樣的參數設置，除了實體擺放功能外，還能夠根據擺放後的實體信息影響地形並輸出到地形數據上，以及定義每一個Speicies的生存能力（Viability）：

Species的Entities功能：生成地形上特定種類的實體，包括樹，灌木，花草，岩石等等

Viability ：每種物體在根據區域有本身的生存力，以及對應的生存範圍和生存優先度，來避免物件之間重疊和穿插。
Age：樹木有本身的Age（年齡），根據Viability生成SDF的來決定。根據Age來控制樹的高低。
Size ：同一種類的樹木有幾種不一樣的Size，小樹傾向在外圍，大樹傾向在中心，同一Size能夠這種植被的變化（枯樹等）。也能夠用Age來替代Viability來控制Size
Scale：在不一樣的Size等級之間裏經過Scale來平滑過渡。
Color：每一個植被實例能夠根據地形或自身屬性來改變的顏色變化，好比經過水體的SDF來控制草體Species的顏色。
Density：樹木密度，能夠根據樹的大小設置不一樣密度。
Rotation：根據地形坡度，水源信息以及風力來改變草體的旋轉和方向。
Transform ：沒有特地講到，應該就是Transform信息
Group ：一樣沒有特地講到，可能就是Houdini的Group信息。

Species的寫回Terrain功能 : 佈置的資源也能夠影響到地形的信息。

Terrain Color：地表植被信息能夠給予地形貼圖一個Tint Color，這個顏色也會經過shader影響到表明上草體的顏色，在地形貼圖有限的狀況下增長變化。
Terrain Textures ：輸出樹根部分的貼圖ID，以及混合係數，配置到Terrain Material的Layer Texture上，作到地表和樹根的融合效果。
Terrain Data Output ：能夠把Species的數據包裝輸出，好比把Age或Viability寫入到一個屬性，再由後面的Species讀取。
Terrain Deformation：植被信息會影響到地形HeightMap的變化，好比樹根部分會讓周圍地表隆起。

整個FC5 Biome的核心就是這個名爲Generate Terrain Entities的HDA節點。

輸出到編輯器：全部實體的信息會以Entity Point Cloud的方式輸出到引擎編輯器，每一個Point除了位置信息屬性，還有對應的實體實例引用，以及前面提到的HDA中生成的相似Size，Scale，Color等信息傳送到編輯器，編輯器裏再根據這些信息在場景裏生成對應的資源。

因此，要實現FC5相似的植被系統，Houdini和UE4裏須要作的功能主要有：

根據地形的HeightData生成各類Mask信息，以及其餘過程化工具生成Mask的回讀功能
相似Generate Terrain Entities裏的HDA功能
HDA所生成的點雲和Terrain信息回讀到UE4裏改變以前的配置

本節會先對FC5的文檔作需求分析，在下節提供具體的Houdini的實現方法。基礎篇裏涉及如何在UE4裏把HDA輸出的數據運用到場景裏。

地形數據生成

上文提到，過程和生成Biome使用的地形數據主要來源有如下兩個部分：

在Houdini裏基於Heightmap生成
遊戲編輯器中輸出的2D Mask數據

基於Heightmap生成各類特性Mask的功能，在使用WorldMachin作地形時就常常被使用，Houdini做爲WM的替代品也有對應的節點。使用這下圖這3個節點，或者基於他們的內部實現本身整合一個節點就能夠生成 Occlusion，Flow，Slope，Curvature，Illumination等信息了。

而像在編輯器裏過程化生成的湖泊，電線杆等信息，就是設置一個公共的資源目錄保存對應的Mask，在每次編輯器裏調用過程化工具生成時，使用Python腳本加載對應Mask圖，使用Mask By Object節點生根據場景成Mask，再用Python把過程化場景的信息做爲Mask保存起來。或者是把每次過程化生成的信息保存，而後在統一Cook時輸出Mask信息到2D貼圖裏。

整體來講，地形數據的生成和導入，都是比較成熟技術，沒有太大的難度，後面仍是聚焦在植被的生成方法上。

地形的植被實體生成

下圖是FC5的層級結構示意

實際整個Main Biome,就像下圖這樣一個個的表明特定植被的Species的鏈接在一塊兒。

每一個Species都是一個Generate Terrain Entiies的HDA節點

接下來經過文檔裏HDA的截圖分析需求。下圖是HDA的主面板。

圖上半部分是植被，地形數據列表和顯示選項等，生成參數的配置在下半部分，有Entities和Terrain兩個頁籤。裏面有擺放植被和輸出地形信息的功能。

Viability

Entities頁簽上首先就是Species的Viability的設置， Main Biome就是大量Species節點串連起來的結果，下圖的示例是兩個Species串聯，Viability的值則是從Terrain Attribute Data裏讀取的，也就是以前生成和導入的Terrain Mask。下圖中SpeciesA的Viability是從Occlusion的mask取值，他的Viability值的倍數爲1,而SpeciesB是從Flow Mask裏作Viability的取值，Viability的值的倍數爲2。並使用Ramp圖標來作漸變和裁剪效果。最後途中樹木的擺放效果也是由於B的Viability值比A的Viability高，因此Mask重合的部分的B樹會替換掉A樹。

由於SpeciesA和B在樹的種類，密度，大小上並不同，Point Cloud並不會徹底重疊在一塊兒，而是相似下圖這樣的分佈關係，因此不能只經過的植被對應的Point的位置信息和Viability來作判斷，還須要讓每一個Entity Point有Viability Radius，下圖中，由於B的Viability值比 A低，因此當他們的範圍有重疊時，B的樹就會被A替換掉。

此外，每一個 Species還有Priority和Priority Radius的設置，計算最終的擺放前，先會用Priority作比較，當Priority同樣時再用Viability值作比較。

有些植被還有它特定的生存習性，地形數據除了從Heightmap計算或外部讀取外，還須要能夠人工的在houdini裏控制生成範圍，再把多個地形數據的混合出結果，例以下圖獲得就是在必定海拔高度範圍內，沿着flow Line生長的植被Mask。也能夠把以前編輯器導出或保存的例如湖泊，道路，懸崖等Mask信息導入Specie的地形數據裏做爲剔除Mask使用，確保植被不會生成到這些不該該生成的位置上。

經過在每 Species的Terrain Attribute裏增長不一樣的數據來混合，就能夠獲得相似特定位置的Sub Biomes的生成位置信息了。

Size和Scale

即使是同一個 Species裏的同一種植被，由於生長環境和時間的不一樣，也會有大小（Size）的區分。天然界中，一般小樹會長在樹林的邊緣，而大樹更傾向在樹林的中央。須要用Size來控制不一樣生長程度的植被的大小，再使用Scale增長一些隨機的變化，讓整個森林更加天然。下圖增長了5級的Size後，雖然有了必定的變化，但仍是會有階梯狀的感受。

在Size級別之間增長了Scale後，階梯感就消失了。

使用Size和Scale設置，有了不一樣比例的同種類樹木後，就要想辦法把合適大小（Age）樹木佈置到場景裏。

Age

如何在正確的位置擺放對應Size和Scale的植被，是經過讓植被的Age與Size對應，來選擇擺放多大尺寸的樹木。前文也提到，天然的樹林是邊緣的樹齡小，中心的樹齡大的分佈。經過面板上的Age Max Distance的值，基於Viability的Volume值收縮必定距離後再生成SDF，做爲Age使用。再根據Age對Size的Influence和Age Ramp，獲得對應樹木的Size。

經過Age Ramp對應不一樣的Size的分佈

Density

一般是使用Houdini的Scatter設置必定的密度值，再將Viability的Mask轉爲Point Could。但默認的方式轉換，每一個Point自身沒有Size信息，當密度過大，或者Scatter不一樣Size的植被時，很容易會出現同一種植被相互疊加的狀況。因此這裏要將Size轉算爲Density值，Size越大，Density越小。