Houdini技術體系過程化地形系統（一）：Far Cry5的植被系統分析

本文轉載自查看原文 2018-06-20 10:33 5672 Houdini

背景

在大世界游戲里，植被（biome）是自然環境非常重要的組成部分，雖然UE4里的也有比較不錯的地形+植被系統，但相比國外AAA級游戲的效果，還是有不少的差距，簡介如下：

UE4的植被分為（Folige Type）和（Grass Type），都是通過HierarchicalInstancedStaticMeshComponent來進行實例渲染，但生成方式不同

Folige Type可以帶有碰撞信息，通過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自己不帶碰撞，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不少的限制

當一塊地表上出現多種Foliage或Grass時，還是會產生不同類型植被之間的競爭和重疊的情況
Folige Type在特別是石塊，樹木，草體都存在的情況下，增減修改都會變的很麻煩
布局上還是要人為的控制，一旦場景地形要修改，就要重新各種刷新或配置Foliage Type，Grass Type也要跟着刷Material Layer來改變。
Procedural Foliage Volumes可以一定程度上減少Paint的工作量，但可控的參數過少。

所以植被的過程化系統無論是表現上，性能上，還是迭代的便利性上，都是非常重要的部分。近兩年GDC上，Ubisoft在 Tom Clancy’s Ghost Recon: Wildlands和Far Cry 5（后簡稱FC5）的過程化植被生成上都有不錯的分享。這里我把Houdini的植被系統實現分為三部分來分享，在基礎管線部分主要是Houdini的植被系統與UE4的植被系統如何做銜接，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環境下實現類似功能。

Far Cry 5的植被系統概述

植被的分層結構：每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里把一個Sub Biome結構稱為Recipes，每個Recipes由代表不同的區域和種類來命名，比如biome_moutiain_forest，代表的是山上的樹林。而一個Recipes里則是若干個Species組成，每個Species代表的是Recipes對應區域和生態里一個植物或物件種類的生成。

Houdini與分層的聯系：每個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起組成Recipes（Sub Biome），而所有的Recipes再連接在一起成為一個Main Biome。每個HDA可以讀取地形Mask信息和它的配置參數，輸出自己對應的植被的擺放信息，而連在后面的HDA會根據前面HDA留下的信息，通過HDA內置的參數和算法，確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，生成不同的Mask信息，以及用戶手繪的數據

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

每個Speicies對應的 Generate Terrain Entities都是同一個HDA節點，只是根據對應不同植被實體有不同的參數設置，除了實體擺放功能外，還可以根據擺放后的實體信息影響地形並輸出到地形數據上，以及定義每個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自己的生存力，以及對應的生存范圍和生存優先度，來避免物件之間重疊和穿插。
Age：樹木有自己的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同的Size，小樹傾向在外圍，大樹傾向在中心，同一Size可以這種植被的變化（枯樹等）。也可以用Age來替代Viability來控制Size
Scale：在不同的Size等級之間里通過Scale來平滑過渡。
Color：每個植被實例可以根據地形或自身屬性來改變的顏色變化，比如通過水體的SDF來控制草體Species的顏色。
Density：樹木密度，可以根據樹的大小設置不同密度。
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 ：沒有特意講到，應該就是Transform信息
Group ：同樣沒有特意講到，可能就是Houdini的Group信息。

Species的寫回Terrain功能 : 布置的資源也可以影響到地形的信息。

Terrain Color：地表植被信息可以給予地形貼圖一個Tint Color，這個顏色也會通過shader影響到代表上草體的顏色，在地形貼圖有限的情況下增加變化。
Terrain Textures ：輸出樹根部分的貼圖ID，以及混合系數，配置到Terrain Material的Layer Texture上，做到地表和樹根的融合效果。
Terrain Data Output ：可以把Species的數據包裝輸出，比如把Age或Viability寫入到一個屬性，再由后面的Species讀取。
Terrain Deformation：植被信息會影響到地形HeightMap的變化，比如樹根部分會讓周圍地表隆起。

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

輸出到編輯器：所有實體的信息會以Entity Point Cloud的方式輸出到引擎編輯器，每個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中生成的類似Size，Scale，Color等信息傳送到編輯器，編輯器里再根據這些信息在場景里生成對應的資源。

所以，要實現FC5類似的植被系統，Houdini和UE4里需要做的功能主要有：

根據地形的HeightData生成各種Mask信息，以及其他過程化工具生成Mask的回讀功能
類似Generate Terrain Entities里的HDA功能
HDA所生成的點雲和Terrain信息回讀到UE4里改變之前的配置

本節會先對FC5的文檔做需求分析，在下節提供具體的Houdini的實現方法。基礎篇里涉及如何在UE4里把HDA輸出的數據運用到場景里。

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以下兩個部分：

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

基於Heightmap生成各種特性Mask的功能，在使用WorldMachin做地形時就經常被使用，Houdini作為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自己整合一個節點就可以生成 Occlusion，Flow，Slope，Curvature，Illumination等信息了。

而像在編輯器里過程化生成的湖泊，電線桿等信息，就是設置一個公共的資源目錄保存對應的Mask，在每次編輯器里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作為Mask保存起來。或者是把每次過程化生成的信息保存，然后在統一Cook時輸出Mask信息到2D貼圖里。

總體來說，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，后面還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代表特定植被的Species的連接在一起。

每個Species都是一個Generate Terrain Entiies的HDA節點

接下來通過文檔里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兩個頁簽。里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里讀取的，也就是之前生成和導入的Terrain Mask。下圖中SpeciesA的Viability是從Occlusion的mask取值，他的Viability值的倍數為1,而SpeciesB是從Flow Mask里做Viability的取值，Viability的值的倍數為2。並使用Ramp圖標來做漸變和裁剪效果。最后途中樹木的擺放效果也是因為B的Viability值比A的Viability高，所以Mask重合的部分的B樹會替換掉A樹。

因為SpeciesA和B在樹的種類，密度，大小上並不一樣，Point Cloud並不會完全重疊在一起，而是類似下圖這樣的分布關系，所以不能只通過的植被對應的Point的位置信息和Viability來做判斷，還需要讓每個Entity Point有Viability Radius，下圖中，因為B的Viability值比 A低，所以當他們的范圍有重疊時，B的樹就會被A替換掉。

此外，每個 Species還有Priority和Priority Radius的設置，計算最終的擺放前，先會用Priority做比較，當Priority一樣時再用Viability值做比較。

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，還需要可以人工的在houdini里控制生成范圍，再把多個地形數據的混合出結果，例如下圖得到就是在一定海拔高度范圍內，沿着flow Line生長的植被Mask。也可以把之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的地形數據里作為剔除Mask使用，確保植被不會生成到這些不應該生成的位置上。

通過在每 Species的Terrain Attribute里增加不同的數據來混合，就可以得到類似特定位置的Sub Biomes的生成位置信息了。

Size和Scale

即便是同一個 Species里的同一種植被，因為生長環境和時間的不同，也會有大小（Size）的區分。自然界中，通常小樹會長在樹林的邊緣，而大樹更傾向在樹林的中央。需要用Size來控制不同生長程度的植被的大小，再使用Scale增加一些隨機的變化，讓整個森林更加自然。下圖增加了5級的Size后，雖然有了一定的變化，但還是會有階梯狀的感覺。

在Size級別之間增加了Scale后，階梯感就消失了。

使用Size和Scale設置，有了不同比例的同種類樹木后，就要想辦法把合適大小（Age）樹木布置到場景里。

Age

如何在正確的位置擺放對應Size和Scale的植被，是通過讓植被的Age與Size對應，來選擇擺放多大尺寸的樹木。前文也提到，自然的樹林是邊緣的樹齡小，中心的樹齡大的分布。通過面板上的Age Max Distance的值，基於Viability的Volume值收縮一定距離后再生成SDF，作為Age使用。再根據Age對Size的Influence和Age Ramp，得到對應樹木的Size。

通過Age Ramp對應不同的Size的分布

Density

通常是使用Houdini的Scatter設置一定的密度值，再將Viability的Mask轉為Point Could。但默認的方式轉換，每個Point自身沒有Size信息，當密度過大，或者Scatter不同Size的植被時，很容易會出現同一種植被相互疊加的情況。所以這里要將Size轉算為Density值，Size越大，Density越小。