转自顾露 【开放世界游戏中的大地图背后有哪些实现技术？】 链接：http://gulu-dev.com/post/2014-11-16-open-world
### 4. 超大地形的处理 （Terrain Visualization）
终于说到对超大地形的处理了。可以说从上世纪九十年代起，超大地形的可视化，一直是3D游戏领域热门的话题。今天我们就借着这个机会，把相关的算法和实现理一理吧。
考虑到篇幅太长的话，俺的手指头招架不住，再一个不少对这个话题感兴趣的同学可能压根就不是程序员，一些实现细节可能我就只是简单提一下，贴代码什么的还是算了，尽量保证整篇文章的信息浓度适中吧。
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总的来说，这十多年来，地形渲染技术的发展史就是一部生动的对现代GPU的开发，利用和改进史。整个过程大致可以分成三个阶段：一开始，GPU处理顶点能力很弱，这个时期的各种精巧算法（如一些VDPM和后期的ROAM），**尽力在用CPU来降低顶点的总量**，避免一不留神压垮图形系统；后来，图形系统的能力上去了，人们开始更多地考虑到**把地形系统融入到通用的场景管理**中去，如四叉树八叉树什么的就是在这个阶段被广泛应用的；再往后，GPU已经很强大了，CPU由于要承担更复杂的游戏逻辑，越来越成了整个系统的瓶颈，这个阶段，人们琢磨的更多的是，怎么**利用GPU给CPU减负**了，一直到如今，由 GPGPU 带动起来的异构计算，也都是这个路数。
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由于内容比较杂，超大地形这个段落，按上面的描述，咱们分为三个小段分开来讲吧。让俺先沏上一杯碧螺春，为客官一一道来。
#### 4.1 古典算法（从 GeoMipMapping，Progressive Mesh 到 ROAM）
GeoMipMapping 是从纹理的 MipMapping 技术演化来的一个地表处理技术，原理上是根据任何一小块地形在屏幕上显示的实际尺寸（主要跟与摄像机的距离和起伏程度有关）来选择对应密度的网格，然后把不同分辨率的网格之间以某种方式拼接起来（没有这一步的话就会有裂缝），本质上是一种比较粗糙的区域 LOD 算法。顺便说一下，由于那时候针对顶点级的处理很多，导致这种T型裂缝很常见，以至于有个专门的名字叫“T-Junction”，针对这个的处理在当时也有很多方案。
这是俺刚刚到老硬盘里刨出来的大三时写的 GeoMipMapping 代码，编了一下居然还能跑起来。有点土，别介意：P 可以看到不同的 MipMap 级别是用不同的颜色渲染的，也可以看到接头处 T 型裂缝的处理。唉，这代码勾起了俺的青葱回忆啊，那就顺便再来两张 T 型裂缝的示意图和消除过程吧。
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Progressive Mesh 是后来很流行的技术 Simplygon 的前身，原理上基本也是一致的，就是以某种方式渐变性地化简某个给定的 Mesh。
渐进式网格有两种：视点无关的 （View-Independent Progressive Mesh，VIPM） 和视点相关的 （View-Dependent Progressive Mesh，VDPM）。两者的区别就是，前者预先离线生成好所有的渐变过程，运行时直接用就行（也是后来 Simplygon 采用的方案），而后者随着摄像机的位置和角度的变化，生成对应的简化模型。两相对比，VIPM的好处是运行时运算开销低，简化模型的效果好，缺点是费内存（因为数据都存下来了，当然后来增量的方式能省一些），而VDPM在当时是不错的选择，因为跟VIPM相比不用费额外的内存，而且对于视点（就是摄像机）变化不剧烈的应用，不需要每帧处理和更新对应的简化模型（普通的MMO类的一般一秒一次就够了），此外由于一些简单的遮挡剔除和背面剔除，能够比VIPM裁掉多得多的顶点（一般能多裁1/3到一半吧，在当时这可是头等大事）。
总的来说，至少在当时，两者的应用都比较广泛，而到了后来，显存越来越大，总线却越来越紧张，VDPM这种典型的刷顶点的算法（比较费总线带宽）就逐渐失去了市场，这是后话了。
大家可以在[这里](3d Page (www.cbloom.com/3d))看到一些 PM 在地形渲染上的应用。图咱就不上了，大家可以到 Simplygon 的网站上去看。
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ROAM 可算作是上面提到的 VDPM 更进一步了。这个算法实际上借鉴了当时主流引擎的标配BSP的思路，想利用二叉树这个最简洁的空间描述数据结构，把（CPU端的）顶点消减发挥到极致。整个地表被组织成一个巨大的二叉树，有两个队列，一个是分割队列，一个是合并队列，分别用于处理摄像机移动时，增加进入视野的区域细节和消减退出视野的区域细节。精心设计的 ROAM 效果非常华丽（尤其是在线框模式下），你会看到在各种因素的影响（包括局部坡度，与摄像机的夹角，遮挡情况等等）下，各种三角形像魔术般的不断地变幻，生成和擦除超多的细节，效果非常魔幻。我印象很深的是当时连续打Quake3两个小时完全无感的我，调试这玩意的时候，每每不到十分钟眼就花了。
网上找了两张比较典型的 ROAM 大家感受一下吧。
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#### 4.2 层次的艺术（Quadtree 和 Chunked LOD）
其实用于空间管理的树状结构有四叉树和八叉树（还有上面的二叉树），但地表通常以前者居多。是因为，从小范围来看，变化剧烈的地形是3D的，适合八叉树在xyz三个方向上扩展；但当尺度大到一定规模之后，地形通常退化为相对扁平的2D空间，就像摊平了的地球表面那样，在竖直的Z方向上变化相对不大，而XY平面则是可能无限延伸的。
Quadtree 四叉树很直白，具体的细节我就不讲了。值得一提的是四叉树往往也同时用于场景管理的快速剔除和查找，从理论上来讲，四叉树是一个平面上最迅速的用于剔除空间，定位一个物体，内存开销也是相对较低的数据结构。当用于地形渲染时，顶点剔除的效率也很高，我印象中仅次于高度优化的 ROAM。内存开销低主要是因为四叉树是可以完美展开到一个位数组里的，这样的话意味着整个树的利用率达到了百分之百——所有的空间都用来存储数据而不是维持结构。
不过四叉树也不是啥都好，T型裂缝就比 GeoMipMapping 难处理，因为存在跨级的多段 T 缝，如下图：
除此之外还有一些细节问题，这里就不一一说明了，地形的四叉树渲染还是有很多细节需要细心处理的，此处暂且放下不表。
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Chunked LOD 是一种杂合改良的 LOD，其实糅合了上面说的不少细节，本质上是一种分区块地消减细节的技术。所谓 Chunk 是批量处理的一种方式，只是一种粒度划分的单位而已，跟现在 Java 的 GC 里分区回收概念上差不多。
下面是典型的 Chunked LOD 后的效果：
顶点多次过滤优化后的效果：
效果在当时还是很惊艳的。通常不到50k的渲染数据量已经能有非常逼真的效果了。
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#### 4.3 以GPU为主的技术（从 Paging，Clipmap 到 GPU Terrain）
上面的基本上都是传统方案，这一节我们将逐渐过渡并挨个介绍一下以 GPU 为运算主体的算法。
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所谓分页（Paging）实际上是仿效虚拟内存的运行机制的一种方法。由于地表的顶点数据都是静态数据，适合常驻显存。当世界尺度较大时，显存没法一次放入所有数据，那么系统就像虚拟内存那样，把那些暂时没有用到的数据交换出去。随着游戏的进行，Paging In/Out 也在不断进行，辅以一定的异步机制，加载到显存的延迟可以被很好地掩盖。玩家的直观感受就是：哇，海量的细节。
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而 Clipmap 则比 Paging 更进一步，以金字塔的形式逐级把数据排列好，直接整体更新和渲染。从这里也可以看出 GPU 时代人们的思维方式的逐步变迁。从以前顶点级别（Vertex Level）的“锱铢必较”，到后来的一次多塞一点也无所谓，只要批次（Batch）少就 OK。下图可以看出 Clipmap 的基本思路。
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所谓的 GPU Terrain Rendering 就是把高度图从内存里经由 2D Vertex Texture 搬到 VS 里去生成三角面，这样的好处是 CPU 和内存就被彻底解放出来了。只是访问上有一些限制，不像直接处理内存那样方便。具体的细节可以看这里：[GPU Gems 2: Terrain Rendering Using GPU-Based Geometry Clipmaps](GPU Gems - Chapter 2. Terrain Rendering Using GPU-Based Geometry Clipmaps)
在 GPU 上做还有个巨大的好处是可以借助 Gaussian Noise 即时生成更多的细节了。直接拿一小块预生成的高斯噪点图在需要的时候叠加一下，就能在没太大额外开销的情况下，增加各种细节。如下图所示：
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随着大家对 GPU 理解的深入，地形的处理又有很多的小技巧可以做，尤其是在 PS 里面，比如法线生成，动态uv展开，光照按需叠加/衰减什么的。不过呢据我所知没有什么非常别具一格的架构上的新思路了，所以就不再深入了。