Houdini技术体系过程化地形系统（一）：Far Cry5的植被系统分析

时间 2019-11-06

标签 houdini 技术体系过程地形系统 far cry5 植被系统分析繁體版

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背景

在大世界游戏里，植被（biome）是天然环境很是重要的组成部分，虽然UE4里的也有比较不错的地形+植被系统，但相比国外AAA级游戏的效果，仍是有很多的差距，简介以下：

UE4的植被分为（Folige Type）和（Grass Type），都是经过HierarchicalInstancedStaticMeshComponent来进行实例渲染，但生成方式不一样

Folige Type能够带有碰撞信息，经过Foliage Paint tool或Procedural Foliage Volumes 预先生成和放置，再跟随场景读取时加载。
Grass Type本身不带碰撞，根据所在的Material Layer和设置预生成密度图，在运行时根据摄像机来生成视野周围的Grass。

两种方式在摆放上都会有很多的限制

当一块地表上出现多种Foliage或Grass时，仍是会产生不一样类型植被之间的竞争和重叠的状况
Folige Type在特别是石块，树木，草体都存在的状况下，增减修改都会变的很麻烦
布局上仍是要人为的控制，一旦场景地形要修改，就要从新各类刷新或配置Foliage Type，Grass Type也要跟着刷Material Layer来改变。
Procedural Foliage Volumes能够必定程度上减小Paint的工做量，但可控的参数过少。

因此植被的过程化系统不管是表现上，性能上，仍是迭代的便利性上，都是很是重要的部分。近两年GDC上，Ubisoft在 Tom Clancy’s Ghost Recon: Wildlands和Far Cry 5（后简称FC5）的过程化植被生成上都有不错的分享。这里我把Houdini的植被系统实现分为三部分来分享，在基础管线部分主要是Houdini的植被系统与UE4的植被系统如何作衔接，过程化地形部分本节先会分析FC5的实现机制，下一节介绍如何在Houdini和UE4环境下实现相似功能。

Far Cry 5的植被系统概述

植被的分层结构：每一个地块有一个生态组（Main Biome），而主生态组又包含若干的子生态组（Sub Biome）。FC5里把一个Sub Biome结构称为Recipes，每一个Recipes由表明不一样的区域和种类来命名，好比biome_moutiain_forest，表明的是山上的树林。而一个Recipes里则是若干个Species组成，每一个Species表明的是Recipes对应区域和生态里一个植物或物件种类的生成。

Houdini与分层的联系：每一个Species其实都是一个Generate Terrain Entities的Houdini HDA节点，把HDA节点一个接一个的连在一块儿组成Recipes（Sub Biome），而全部的Recipes再链接在一块儿成为一个Main Biome。每一个HDA能够读取地形Mask信息和它的配置参数，输出本身对应的植被的摆放信息，而连在后面的HDA会根据前面HDA留下的信息，经过HDA内置的参数和算法，肯定是否会覆盖前一个HDA的生成信息。

地形数据信息：根据地形的高度信息，生成不一样的Mask信息，以及用户手绘的数据

包括Occlusion，Flow，Slope，Curvature，Illumination等经过高度生成的信息，以及海拔，经纬度，风向等人工输入的信息
湖泊，道路，栅栏，电线杆，峭壁等其余过程化生成的Mask信息也会被导出保存为2D贴图，确保植被不会生成到这些区域。

每一个Speicies对应的 Generate Terrain Entities都是同一个HDA节点，只是根据对应不一样植被实体有不一样的参数设置，除了实体摆放功能外，还能够根据摆放后的实体信息影响地形并输出到地形数据上，以及定义每一个Speicies的生存能力（Viability）：

Species的Entities功能：生成地形上特定种类的实体，包括树，灌木，花草，岩石等等

Viability ：每种物体在根据区域有本身的生存力，以及对应的生存范围和生存优先度，来避免物件之间重叠和穿插。
Age：树木有本身的Age（年龄），根据Viability生成SDF的来决定。根据Age来控制树的高低。
Size ：同一种类的树木有几种不一样的Size，小树倾向在外围，大树倾向在中心，同一Size能够这种植被的变化（枯树等）。也能够用Age来替代Viability来控制Size
Scale：在不一样的Size等级之间里经过Scale来平滑过渡。
Color：每一个植被实例能够根据地形或自身属性来改变的颜色变化，好比经过水体的SDF来控制草体Species的颜色。
Density：树木密度，能够根据树的大小设置不一样密度。
Rotation：根据地形坡度，水源信息以及风力来改变草体的旋转和方向。
Transform ：没有特地讲到，应该就是Transform信息
Group ：一样没有特地讲到，可能就是Houdini的Group信息。

Species的写回Terrain功能 : 布置的资源也能够影响到地形的信息。

Terrain Color：地表植被信息能够给予地形贴图一个Tint Color，这个颜色也会经过shader影响到表明上草体的颜色，在地形贴图有限的状况下增长变化。
Terrain Textures ：输出树根部分的贴图ID，以及混合系数，配置到Terrain Material的Layer Texture上，作到地表和树根的融合效果。
Terrain Data Output ：能够把Species的数据包装输出，好比把Age或Viability写入到一个属性，再由后面的Species读取。
Terrain Deformation：植被信息会影响到地形HeightMap的变化，好比树根部分会让周围地表隆起。

整个FC5 Biome的核心就是这个名为Generate Terrain Entities的HDA节点。

输出到编辑器：全部实体的信息会以Entity Point Cloud的方式输出到引擎编辑器，每一个Point除了位置信息属性，还有对应的实体实例引用，以及前面提到的HDA中生成的相似Size，Scale，Color等信息传送到编辑器，编辑器里再根据这些信息在场景里生成对应的资源。

因此，要实现FC5相似的植被系统，Houdini和UE4里须要作的功能主要有：

根据地形的HeightData生成各类Mask信息，以及其余过程化工具生成Mask的回读功能
相似Generate Terrain Entities里的HDA功能
HDA所生成的点云和Terrain信息回读到UE4里改变以前的配置

本节会先对FC5的文档作需求分析，在下节提供具体的Houdini的实现方法。基础篇里涉及如何在UE4里把HDA输出的数据运用到场景里。

地形数据生成

上文提到，过程和生成Biome使用的地形数据主要来源有如下两个部分：

在Houdini里基于Heightmap生成
游戏编辑器中输出的2D Mask数据

基于Heightmap生成各类特性Mask的功能，在使用WorldMachin作地形时就常常被使用，Houdini做为WM的替代品也有对应的节点。使用这下图这3个节点，或者基于他们的内部实现本身整合一个节点就能够生成 Occlusion，Flow，Slope，Curvature，Illumination等信息了。

而像在编辑器里过程化生成的湖泊，电线杆等信息，就是设置一个公共的资源目录保存对应的Mask，在每次编辑器里调用过程化工具生成时，使用Python脚本加载对应Mask图，使用Mask By Object节点生根据场景成Mask，再用Python把过程化场景的信息做为Mask保存起来。或者是把每次过程化生成的信息保存，而后在统一Cook时输出Mask信息到2D贴图里。

整体来讲，地形数据的生成和导入，都是比较成熟技术，没有太大的难度，后面仍是聚焦在植被的生成方法上。

地形的植被实体生成

下图是FC5的层级结构示意

实际整个Main Biome,就像下图这样一个个的表明特定植被的Species的链接在一块儿。

每一个Species都是一个Generate Terrain Entiies的HDA节点

接下来经过文档里HDA的截图分析需求。下图是HDA的主面板。

图上半部分是植被，地形数据列表和显示选项等，生成参数的配置在下半部分，有Entities和Terrain两个页签。里面有摆放植被和输出地形信息的功能。

Viability

Entities页签上首先就是Species的Viability的设置， Main Biome就是大量Species节点串连起来的结果，下图的示例是两个Species串联，Viability的值则是从Terrain Attribute Data里读取的，也就是以前生成和导入的Terrain Mask。下图中SpeciesA的Viability是从Occlusion的mask取值，他的Viability值的倍数为1,而SpeciesB是从Flow Mask里作Viability的取值，Viability的值的倍数为2。并使用Ramp图标来作渐变和裁剪效果。最后途中树木的摆放效果也是由于B的Viability值比A的Viability高，因此Mask重合的部分的B树会替换掉A树。

由于SpeciesA和B在树的种类，密度，大小上并不同，Point Cloud并不会彻底重叠在一块儿，而是相似下图这样的分布关系，因此不能只经过的植被对应的Point的位置信息和Viability来作判断，还须要让每一个Entity Point有Viability Radius，下图中，由于B的Viability值比 A低，因此当他们的范围有重叠时，B的树就会被A替换掉。

此外，每一个 Species还有Priority和Priority Radius的设置，计算最终的摆放前，先会用Priority作比较，当Priority同样时再用Viability值作比较。

有些植被还有它特定的生存习性，地形数据除了从Heightmap计算或外部读取外，还须要能够人工的在houdini里控制生成范围，再把多个地形数据的混合出结果，例以下图获得就是在必定海拔高度范围内，沿着flow Line生长的植被Mask。也能够把以前编辑器导出或保存的例如湖泊，道路，悬崖等Mask信息导入Specie的地形数据里做为剔除Mask使用，确保植被不会生成到这些不该该生成的位置上。

经过在每 Species的Terrain Attribute里增长不一样的数据来混合，就能够获得相似特定位置的Sub Biomes的生成位置信息了。

Size和Scale

即使是同一个 Species里的同一种植被，由于生长环境和时间的不一样，也会有大小（Size）的区分。天然界中，一般小树会长在树林的边缘，而大树更倾向在树林的中央。须要用Size来控制不一样生长程度的植被的大小，再使用Scale增长一些随机的变化，让整个森林更加天然。下图增长了5级的Size后，虽然有了必定的变化，但仍是会有阶梯状的感受。

在Size级别之间增长了Scale后，阶梯感就消失了。

使用Size和Scale设置，有了不一样比例的同种类树木后，就要想办法把合适大小（Age）树木布置到场景里。

Age

如何在正确的位置摆放对应Size和Scale的植被，是经过让植被的Age与Size对应，来选择摆放多大尺寸的树木。前文也提到，天然的树林是边缘的树龄小，中心的树龄大的分布。经过面板上的Age Max Distance的值，基于Viability的Volume值收缩必定距离后再生成SDF，做为Age使用。再根据Age对Size的Influence和Age Ramp，获得对应树木的Size。

经过Age Ramp对应不一样的Size的分布

Density

一般是使用Houdini的Scatter设置必定的密度值，再将Viability的Mask转为Point Could。但默认的方式转换，每一个Point自身没有Size信息，当密度过大，或者Scatter不一样Size的植被时，很容易会出现同一种植被相互叠加的状况。因此这里要将Size转算为Density值，Size越大，Density越小。