游戏引擎中的地形系统

一、地形的几何

1.1 高度图

记录不同定点的高度，对每个网格/顶点应用高度、材质等信息，我们每个顶点可以根据高度改变位移

但是这种方法是不适用于开放世界的。很难直接画出几百万公里的场景

1.2 自适应网格细分

当fov越来越窄的时候，网格越来越细

那为什么是fov呢，如果写过摄像机系统的话，其实有一个方法实现缩放，就是变更fov，如果fov越小离物体就越近，所以这种时候网格就需要越精细。

几个原则：

• 距离摄像机和视场
• 与地面真实值相比的误差(预计算)

网格细分的方法：

1）基于三角形的网格细分：

基本方法：就是三角形最长的边取一个把一个三角形切分成两个三角形

但是会有一个T junctions的问题，这个得查找对应周围的边是不是更加细分，如果更加细分，那我相邻没有细分的也要进行切分

这个算法有个问题，对于地形数据的管理和中间的切分算法不符合我们制作地形的逻辑。（不是正方形，而是三角形）

2）基于四叉树的网格细分：

四个四个进行合并或者细分

这个更加适合引擎使用，更加的符合资源管理

这个方法也有T junctions的问题，这个可以通过三角形退化进行处理，把顶点进行合并

3）不规则网格：
对于平面地形，合并不必要的顶点

优点：

• 容易在运行时渲染
• 在某些地形类型中较少的三角形

缺点：

• 需要特定的预处理步骤
• 可重用性差

1.3 实时变形的地形

我们可以生成一个Deformable Terrain 根据我们的场景输入对地形进行偏移然后把周围的物质挤上来一些。

1.4 体素化

如果我们想在山中挖个隧道怎么实现呢？

在三维计算机图形学中，体素表示三维空间中规则网格上的值。作为2D位图中的像素，体素本身通常不会用它们的值显式地编码它们的位置(即坐标)

Marching Cubes算法：

二、地形的材质

2.1存储不同的地形内容：

2.2地形纹理采样

然后我们对上面贴图进行混合，如果只是简单的混合是有问题的

正确的过渡算法：根据高度图进行调整

事实上我们的游戏中会有非常多的纹理，我们的纹理会存储在Texture array 。

那Texture array 和Texture3D的区别是什么呢？
Texture array 只是多层Texture，层和层之间是没有关系的
Texture3D的层之间是有关系的，如果我们采样一个点需要对一个点周围八个标准点进行插值

凹凸/视差/置换贴图：

凹凸贴图使用每个顶点不同的发现来呈现凹凸感

视差贴图属于位移贴图(Displacement Mapping)技术的一种，它对根据储存在纹理中的几何信息对顶点进行位移或偏移。一种实现的方式是比如有1000个顶点，根据纹理中的数据对平面特定区域的顶点的高度进行位移。这样的每个纹理像素包含了高度值纹理叫做高度贴图。

DisplacementMapping是一种真正改变物体表面的方式。通过一种称为micropolygons（微多边形）tessellate（镶嵌）的技巧来实现真正的改变物体表面的细节。

具体流程是这样的。首先，根据屏幕的分辨率，在模型的可见面上镶嵌和最终象素尺寸相同的微多边形。这个过程叫做镶嵌。然后读取一张Bump贴图。根据表面的灰度确定高度。然后根据镶嵌所得到的多边形，沿着原先的表面法线方向移动微多边形。接着再为新的多边形确定好新的法线方向。此时，物体的表面确实已经真的增加出了细节。

2.3 Virtual Texture

为了解决采样纹理昂贵的问题，我们来看看虚拟纹理技术
这个技术有点类似计算机里面的虚拟内存
我们会把我们用到的存到内存中，没有用到的放在磁盘中，然后通过分页来对磁盘内容进行索引。

虚拟纹理技术主要是基于CPU的磁盘、主存和显存之间的缓存管理

2.4 地形渲染问题

浮点数精度问题：当距离边远，精度误差就会越来越大

解决方法：我们可以使用在摄像机空间渲染，在任何其他几何变换影响物体之前，先通过世界空间相机位置来转换物体，然后，它将世界空间摄像机的位置设置为0，并相应地修改所有相关矩阵