GPU Pro2 ?- 3.Procedural Content Generation on the GPU

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這篇文章著重介紹了基于Brownian 噪聲和高度圖在GPU中實時生成和渲染無限大地形系統(tǒng)。

Procedural content generation (PCG)程序化生成在許多游戲中已經(jīng)有廣泛應用，從簡單的隨機物體擺放，到全自動生成武器，建筑或者AI等等。PCG在計算機圖形學中最基本的應用之一就是基于高度圖的地形生成。

現(xiàn)如今已經(jīng)有許多不同的實時地形生成技術，大多數(shù)是利用過程化生成噪音去創(chuàng)建高度圖。目前最新引人的技術是模擬1/f 噪音（called “pink noise”)，因為這種噪音在自然中普遍存在，而且便于在現(xiàn)代gpu中實現(xiàn)，并且有很好的表現(xiàn)和速度。在這篇文章里，我們決定使用近似的不規(guī)則Brownian motion（fBM）（布朗運動）算法。

該方案使用了光譜混合（spectral synthesis，我也不知道咋翻譯），計算了多層級噪音，最基礎的噪音生成算法是Perlin噪音。盡管柏林噪音的實現(xiàn)已經(jīng)完全依賴于GPU，但是由于其他的過程化生成算法，該算法依然不夠快，因此我們采用了一個可以根據(jù)自身需要而進行配置的系統(tǒng)。

將地形分成多個正方形node（node的數(shù)量必須是高度圖大小的出書，以避免生成后出現(xiàn)錯誤），將攝像機初始置于最中間，每個臨近最中心node的四個node（上下左右）擁有邊界碰撞體，當攝像機和其中任意一個發(fā)生碰撞時，新的高度圖就會生成。基于攝像機的碰撞方向和碰撞體的位置，我們可以得到新的噪音UV坐標。這個操作和高度圖生成算法保證了地形將是連續(xù)且無盡的。

比如下圖：原先在中心，向左移動后于左側(cè)node發(fā)生碰撞，根據(jù)碰撞位置，重新計算出與左側(cè)node相鄰的新的node信息。

該算法也利用了LOD系統(tǒng)，因為我們知道所有node的相對位置，所以可以提前計算出index buffer中的相關信息。中間的node最接近攝像機，所以應該有最低的LOD等級，也就是更多的三角形面片數(shù)量展示更多細節(jié)。

另外我們還模擬了侵蝕效果，最簡單的侵蝕效果類型是thermal erosion，它是由于溫度變化導致的。這個侵蝕算法通過迭代，利用附近點的高度計算出地形點的高度，該算法的實現(xiàn)用了兩個pass，第一個pass計算出材質(zhì)中需要移動到附近點的頂點數(shù)量，第二個pass中通過第一個pass提供的信息計算出實際效果。

地形中的樹植被系統(tǒng)的實現(xiàn)分兩個步驟，第一步生成樹的密度圖，它定義了樹的布置信息。下一步，根據(jù)該信息實際渲染樹的mehs。地形中的高度和坡度信息對生成樹是最常用的參數(shù)，這兩個信息可以由高度圖和法線圖輕松的得到。通過這兩個信息以及一些我們自定義的參數(shù)，我們就可以生成地形中樹的密度圖。

有了密度圖之后，我們不能直接將他用于在地形中生成樹的植被，因為密度圖可能對應非常巨大的世界空間，如果直接每個texel生成一棵樹，那結果有可能植被會非常稀疏。因此，我們?yōu)槊總€類型的樹設置了半徑這個參數(shù)，代表這顆樹會占多大地兒。我們的解決方法是將當前的patch根據(jù)這個patch中最大的那棵樹的半徑劃分成gird，通過從密度圖中取出的值以及占地空間兩者一起決定出如何渲染樹。通過攝像機的裁剪和LOD等技術，再加入Rayleigh-Mie atmospheric scattering我們就完成了地形系統(tǒng)的渲染。

概況下整個流程：

碰撞觸發(fā)需要生成新一部分地形 --? 生成噪音 --?計算erosion，生成高度圖 -- 生成法線貼圖 -- 生成樹的密度圖--生成樹的真正位置信息--渲染場景

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總結

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