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1.引言

本章介紹了一種靈活的，廣泛應用的草模擬。該方案渲染的草不僅生長得自然，也能夠逼真地在風中舞動，而且性能很高。

2.概述

首先，需要意識到，對單個草葉的細節建模意義不大，因為那樣大片草地需要的多邊形數目會太多。所以，我們必須建立一個符合以下條件的簡單而有用的替代方案：

• 許多草的葉片必須由少數多邊形表示。
• 草地必須從不同的視線看起來顯得密集。

而要做到讓場景不依賴于攝像機的位置和方向，可以把一些草葉組合起來，表示在一個紋理中，并將多個紋理組合起來，且在結果中單個的多邊形不應該引起注意。當觀察者四處活動時，通過將草體加入混合操作或者移除混合操作，以在距離范圍內增加或刪去草體，來保證整個草地的渲染效果具有穩定的視覺質量。

3.草體的準備

? ? 3.1 草的紋理

草的紋理，應該是一些一簇一簇聚集叢生的草，否則，會出現大片的透明區域。需在透明的alpha通道上畫實體草莖。在彩色通道中，用深淺不同的綠色和黃色，來較好地區別各個單獨的葉片，也應該模擬不同情況的草葉：長得好的和長得差的、老的和嫩的，甚至區別葉片的前面與后面。

下圖是一個草地紋理的示例。

? ? 3.2 草體

對于線性排布，如果從垂直于多邊形的方向觀看場景，就會立刻穿幫，看出草地多邊形的結構是線性排布的。另外這種情況下草地會看起來非常稀疏。只有在攝像機自動導航，或者渲染無法到達的遠距離草地時，才會考慮這樣的排布。為了保證獨立于當前視線的良好視覺質量，我們必須交叉地排布草地多邊形。已證明，使用星型結構是非常好的。下圖給出了“草體”可能的兩種變體。

他們由3個相交的方塊構成。我們必須禁用背面剔除來渲染多邊形，以保證雙面都可見。為了得到合適的照明度，應該讓所有頂點的法線方向與多邊形的垂直邊平行。這保證了位于斜坡上的所有草體都可以得到正確的光照，不會因為地形的亮度而出現差異。

如果把這些草地物體彼此相當靠近地設置在一個大的區域里，如下圖。在運行期間把它們從后向前進行排序，使用alpha混合，并啟用DrawCall中的z-testing/writing，那么就會得到自然而茂密的草地渲染效果。

4.草地的動畫

關于草地的動畫，基本思想是以三角函數（尤其是正弦和余弦）為基礎進行計算，且計算應該考慮到移動的位置和當前時間、風向和強度。我們的每種技術都只移動草體較高的定點。在一個頂點shader中，通過檢查紋理坐標，區別較高的頂點和較低的頂點是很容易的。對草紋理而言，所有的上面頂點應該有相同的v坐標。本文首先實現一個頂點shader的框架，在所有的3種動畫技術實現方案中都使用該框架，只有純動畫的部分有差別。

頂點shader框架如下：

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動畫部分實現起來有幾種方法：

1）每草叢草體的動畫（Animation per Cluster of Grass Objects）。

對一叢靠近的草體，上面的多邊形頂點統一地發生移動。動畫的平移矢量由cpu計算，若在cpu上使用更費時的算法，還可以讓我們利用非常復雜的風模擬。因為每叢草體由它自己的平移矢量來支持，所以必須針對每叢草體來改變這個常量，因此不得不經常地打斷對整個草地的渲染，而且為每叢草體使用獨立的繪圖調用。

優點：

• 復雜的動畫計算基于cpu算法進行
• 因為一個多邊形上頂點的距離是固定的，所以不發生變形。

缺點：

• 需要許多的draw call
• 由于整個草叢的所有頂點同步動畫，可能出現聚集成簇的現象。

算法：

在cpu上計算一個草叢平移矢量

為頂點shader把平移矢量設置為一個常量

為該單個草叢執行一個drawcal

調用頂點shader，把平移矢量加到上面頂點的位置

2）每頂點的動畫（Animation per Vertex）

為了減少繪圖調用，我們需要把動畫計算移進頂點shader內，shader能夠相對于它的位置分別的移動每個頂點。如下圖所示：

因為對每個頂點的移動是分別計算的，各頂點移動的距離不再是常數，所以可見的變形會出現，但是通常這些失真不易覺察。

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優點：

• drawcall很少，甚至僅僅1個
• 在頂點的shader中改變頂點位置，產生連續的風吹草地引起的波動蕩漾
• 不會看出個別的草叢。

缺點：

• 出現變形
• 由于缺少了局部的無序，動畫可能顯得過于均勻
• 動畫計算的復雜性受到限制

算法：

為頂點shader設定常量，例如風的基本強度和方向，時間延續性等。

為完整的草地或大面積的草場執行一次draw call

調用頂點shader，在shader中計算頂點位置的動畫

3）每草體的動畫（Animation per Grass Object）

吸取前兩個方法的各自優點，我們可以計算動畫不是基于每個頂點的位置，而是基于草體的中心位置。因為附近的草體現在有不同的動畫，我們能表現那種要求的局部混亂，每個草體內的頂點移動相同，又避免了變形。為了做到這一點，每個頂點必須知道它所在草體的中心位置。因為頂點shader必須讀取這個值，所以這個信息所需要的草體位置矢量必須在頂點格式中。

優點：

• drawcall很少，甚至僅僅1個
• 沒有變形
• 局部多變，畫面更自然

缺點：

• 因為每個頂點也包含它的草體的中心位置值，所以在頂點格式中需要附加數據
• 動畫計算的復雜性受到限制

算法：

為頂點shader設定常量，例如風的基本強度和方向，時間延續性等。

為完整的草地或大面積的草場執行一次draw call

調用頂點shader，以草體的中心位置為基礎在shader中計算頂點位置的動畫

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【核心要點總結】

1）草的紋理，應選取一簇一簇聚集叢生的草。在透明的alpha通道上畫實體草莖。在彩色通道中，用深淺不同的綠色和黃色，區別各個單獨的葉片。

2）草體的渲染，適合進行交叉排布，從后向前進行排序，使用alpha混合，并啟用Draw
Call中的z-testing/writing，便能得到自然而茂密的草地渲染效果。

3）草地的動畫，以三角函數（尤其是正弦和余弦）為基礎，且應該考慮到移動的位置和當前時間、風向和強度。實現起來有三種方法：

每草叢草體的動畫（Animation per Cluster of Grass Objects）

每頂點的動畫（Animation per Vertex）

每草體的動畫（Animation per Grass Object）

總結

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