游戏引擎中的地形系统：从高度图到虚拟纹理

游戏引擎中的地形系统：从高度图到虚拟纹理

在游戏开发中，地形系统是构建虚拟世界的基础。从简单的高度图到复杂的体素化技术，从静态纹理到实时变形地形，游戏引擎中的地形系统不断演进，为玩家呈现出越来越逼真的游戏世界。本文将深入探讨游戏引擎中地形系统的实现原理和技术细节，帮助读者理解这一复杂而精妙的系统。

一、地形的几何

1.1 高度图

高度图是地形系统中最基本的表示方法，通过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。每个顶点可以根据高度改变位移。

但是这种方法不适用于开放世界的场景，因为很难直接画出几百万公里的场景。

1.2 自适应网格细分

自适应网格细分是一种根据摄像机视角动态调整地形网格密度的技术。当视野（FOV）越来越窄时，网格会越来越细。这是因为当FOV变小时，表示摄像机离物体越近，此时需要更精细的网格来呈现细节。

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）

网格细分的方法有以下几种：

1）基于三角形的网格细分：
基本方法是将三角形最长的边取一个点，将一个三角形切分成两个三角形。但是这种方法会遇到T-junctions的问题，需要查找周围是否需要更细分的边，如果需要，相邻没有细分的也要进行切分。这个算法对于地形数据的管理和中间的切分算法不符合制作地形的逻辑，因为它不是基于正方形而是三角形。

2）基于四叉树的网格细分：
这种方法是将网格四个四个进行合并或细分，更加适合引擎使用，也更符合资源管理。但是也会遇到T-junctions的问题，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，可以合并不必要的顶点。优点是容易在运行时渲染，在某些地形类型中需要较少的三角形。缺点是需要特定的预处理步骤，可重用性差。

1.3 实时变形的地形

可以生成一个可变形地形（Deformable Terrain），根据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

体素化是实现地形中挖隧道等复杂地形特征的技术。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，类似于2D位图中的像素，体素本身通常不会显式编码它们的位置（即坐标）。

Marching Cubes算法是实现体素化的一种常见方法。

二、地形的材质

地形材质的处理是地形系统中另一个重要的方面，它决定了地形的视觉效果和真实感。

2.1 存储不同的地形内容

2.2 地形纹理采样

对地形纹理进行混合时，简单的混合方式可能会出现问题。正确的过渡算法应该根据高度图进行调整。游戏中会有非常多的纹理，这些纹理通常存储在Texture Array中。

Texture Array与Texture3D的区别在于：

• Texture Array只是多层Texture，层与层之间没有关系
• Texture3D的层之间是有关系的，采样一个点需要对周围八个标准点进行插值

凹凸贴图、视差贴图和置换贴图是常见的地形纹理技术：

• 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技术的一种，根据纹理中的几何信息对顶点进行位移或偏移
• 置换贴图（Displacement Mapping）通过micropolygons（微多边形）tessellate（镶嵌）技巧来实现真正的改变物体表面的细节

具体流程是：首先根据屏幕分辨率在模型的可见面上镶嵌与最终像素尺寸相同的微多边形，然后读取Bump贴图，根据表面灰度确定高度，沿着原先的表面法线方向移动微多边形，并确定新的法线方向。

2.3 Virtual Texture

为了解决采样纹理昂贵的问题，可以采用虚拟纹理技术。这种技术类似于计算机中的虚拟内存，将用到的纹理存放在内存中，未用到的放在磁盘中，通过分页对磁盘内容进行索引。虚拟纹理技术主要基于CPU的磁盘、主存和显存之间的缓存管理。

2.4 地形渲染问题

地形渲染中常见的问题是浮点数精度问题，当距离边远时，精度误差会越来越大。

解决方法是在摄像机空间渲染，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。

本文原文来自CSDN