Houdini技术体系过程化地形系统（一）：Far Cry5的植被系统分析

背景

在大世界游戏里，植被（biome）是自然环境非常重要的组成部分，虽然UE4里的也有比较不错的地形+植被系统，但相比国外AAA级游戏的效果，还是有不少的差距，简介如下：

UE4的植被分为（Folige Type）和（Grass Type），都是通过HierarchicalInstancedStaticMeshComponent来进行实例渲染，但生成方式不同

Folige Type可以带有碰撞信息，通过Foliage Paint tool或Procedural Foliage Volumes 预先生成和放置，再跟随场景读取时加载。
Grass Type自己不带碰撞，根据所在的Material Layer和设置预生成密度图，在运行时根据摄像机来生成视野周围的Grass。

两种方式在摆放上都会有不少的限制

当一块地表上出现多种Foliage或Grass时，还是会产生不同类型植被之间的竞争和重叠的情况
Folige Type在特别是石块，树木，草体都存在的情况下，增减修改都会变的很麻烦
布局上还是要人为的控制，一旦场景地形要修改，就要重新各种刷新或配置Foliage Type，Grass Type也要跟着刷Material Layer来改变。
Procedural Foliage Volumes可以一定程度上减少Paint的工作量，但可控的参数过少。

所以植被的过程化系统无论是表现上，性能上，还是迭代的便利性上，都是非常重要的部分。近两年GDC上，Ubisoft在Tom Clancy’s Ghost Recon: Wildlands和Far Cry 5（后简称FC5）的过程化植被生成上都有不错的分享。这里我把Houdini的植被系统实现分为三部分来分享，在基础管线部分主要是Houdini的植被系统与UE4的植被系统如何做衔接，过程化地形部分本节先会分析FC5的实现机制，下一节介绍如何在Houdini和UE4环境下实现类似功能。

Far Cry 5的植被系统概述

植被的分层结构：每个地块有一个生态组（Main Biome），而主生态组又包含若干的子生态组（Sub Biome）。FC5里把一个Sub Biome结构称为Recipes，每个Recipes由代表不同的区域和种类来命名，比如biome_moutiain_forest，代表的是山上的树林。而一个Recipes里则是若干个Species组成，每个Species代表的是Recipes对应区域和生态里一个植物或物件种类的生成。

Houdini与分层的联系：每个Species其实都是一个Generate Terrain Entities的Houdini HDA节点，把HDA节点一个接一个的连在一起组成Recipes（Sub Biome），而所有的Recipes再连接在一起成为一个Main Biome。每个HDA可以读取地形Mask信息和它的配置参数，输出自己对应的植被的摆放信息，而连在后面的HDA会根据前面HDA留下的信息，通过HDA内置的参数和算法，确定是否会覆盖前一个HDA的生成信息。

地形数据信息：根据地形的高度信息，生成不同的Mask信息，以及用户手绘的数据

包括Occlusion，Flow，Slope，Curvature，Illumination等通过高度生成的信息，以及海拔，经纬度，风向等人工输入的信息
湖泊，道路，栅栏，电线杆，峭壁等其他过程化生成的Mask信息也会被导出保存为2D贴图，确保植被不会生成到这些区域。

每个Speicies对应的Generate Terrain Entities都是同一个HDA节点，只是根据对应不同植被实体有不同的参数设置，除了实体摆放功能外，还可以根据摆放后的实体信息影响地形并输出到地形数据上，以及定义每个Speicies的生存能力（Viability）：

Species的Entities功能：生成地形上特定种类的实体，包括树，灌木，花草，岩石等等

Viability ：每种物体在根据区域有自己的生存力，以及对应的生存范围和生存优先度，来避免物件之间重叠和穿插。
Age：树木有自己的Age（年龄），根据Viability生成SDF的来决定。根据Age来控制树的高低。
Size ：同一种类的树木有几种不同的Size，小树倾向在外围，大树倾向在中心，同一Size可以这种植被的变化（枯树等）。也可以用Age来替代Viability来控制Size
Scale：在不同的Size等级之间里通过Scale来平滑过渡。
Color：每个植被实例可以根据地形或自身属性来改变的颜色变化，比如通过水体的SDF来控制草体Species的颜色。
Density：树木密度，可以根据树的大小设置不同密度。
Rotation：根据地形坡度，水源信息以及风力来改变草体的旋转和方向。
Transform ：没有特意讲到，应该就是Transform信息
Group ：同样没有特意讲到，可能就是Houdini的Group信息。

Species的写回Terrain功能 : 布置的资源也可以影响到地形的信息。

Terrain Color：地表植被信息可以给予地形贴图一个Tint Color，这个颜色也会通过shader影响到代表上草体的颜色，在地形贴图有限的情况下增加变化。
Terrain Textures ：输出树根部分的贴图ID，以及混合系数，配置到Terrain Material的Layer Texture上，做到地表和树根的融合效果。
Terrain Data Output ：可以把Species的数据包装输出，比如把Age或Viability写入到一个属性，再由后面的Species读取。
Terrain Deformation：植被信息会影响到地形HeightMap的变化，比如树根部分会让周围地表隆起。

整个FC5 Biome的核心就是这个名为Generate Terrain Entities的HDA节点。

输出到编辑器：所有实体的信息会以Entity Point Cloud的方式输出到引擎编辑器，每个Point除了位置信息属性，还有对应的实体实例引用，以及前面提到的HDA中生成的类似Size，Scale，Color等信息传送到编辑器，编辑器里再根据这些信息在场景里生成对应的资源。

所以，要实现FC5类似的植被系统，Houdini和UE4里需要做的功能主要有：

根据地形的HeightData生成各种Mask信息，以及其他过程化工具生成Mask的回读功能
类似Generate Terrain Entities里的HDA功能
HDA所生成的点云和Terrain信息回读到UE4里改变之前的配置

本节会先对FC5的文档做需求分析，在下节提供具体的Houdini的实现方法。基础篇里涉及如何在UE4里把HDA输出的数据运用到场景里。

地形数据生成

上文提到，过程和生成Biome使用的地形数据主要来源有以下两个部分：

在Houdini里基于Heightmap生成
游戏编辑器中输出的2D Mask数据

基于Heightmap生成各种特性Mask的功能，在使用WorldMachin做地形时就经常被使用，Houdini作为WM的替代品也有对应的节点。使用这下图这3个节点，或者基于他们的内部实现自己整合一个节点就可以生成Occlusion，Flow，Slope，Curvature，Illumination等信息了。

而像在编辑器里过程化生成的湖泊，电线杆等信息，就是设置一个公共的资源目录保存对应的Mask，在每次编辑器里调用过程化工具生成时，使用Python脚本加载对应Mask图，使用Mask By Object节点生根据场景成Mask，再用Python把过程化场景的信息作为Mask保存起来。或者是把每次过程化生成的信息保存，然后在统一Cook时输出Mask信息到2D贴图里。

总体来说，地形数据的生成和导入，都是比较成熟技术，没有太大的难度，后面还是聚焦在植被的生成方法上。

地形的植被实体生成

下图是FC5的层级结构示意

实际整个Main Biome,就像下图这样一个个的代表特定植被的Species的连接在一起。

每个Species都是一个Generate Terrain Entiies的HDA节点

接下来通过文档里HDA的截图分析需求。下图是HDA的主面板。

图上半部分是植被，地形数据列表和显示选项等，生成参数的配置在下半部分，有Entities和Terrain两个页签。里面有摆放植被和输出地形信息的功能。

Viability

Entities页签上首先就是Species的Viability的设置，Main Biome就是大量Species节点串连起来的结果，下图的示例是两个Species串联，Viability的值则是从Terrain Attribute Data里读取的，也就是之前生成和导入的Terrain Mask。下图中SpeciesA的Viability是从Occlusion的mask取值，他的Viability值的倍数为1,而SpeciesB是从Flow Mask里做Viability的取值，Viability的值的倍数为2。并使用Ramp图标来做渐变和裁剪效果。最后途中树木的摆放效果也是因为B的Viability值比A的Viability高，所以Mask重合的部分的B树会替换掉A树。

因为SpeciesA和B在树的种类，密度，大小上并不一样，Point Cloud并不会完全重叠在一起，而是类似下图这样的分布关系，所以不能只通过的植被对应的Point的位置信息和Viability来做判断，还需要让每个Entity Point有Viability Radius，下图中，因为B的Viability值比A低，所以当他们的范围有重叠时，B的树就会被A替换掉。

此外，每个Species还有Priority和Priority Radius的设置，计算最终的摆放前，先会用Priority做比较，当Priority一样时再用Viability值做比较。

有些植被还有它特定的生存习性，地形数据除了从Heightmap计算或外部读取外，还需要可以人工的在houdini里控制生成范围，再把多个地形数据的混合出结果，例如下图得到就是在一定海拔高度范围内，沿着flow Line生长的植被Mask。也可以把之前编辑器导出或保存的例如湖泊，道路，悬崖等Mask信息导入Specie的地形数据里作为剔除Mask使用，确保植被不会生成到这些不应该生成的位置上。

通过在每Species的Terrain Attribute里增加不同的数据来混合，就可以得到类似特定位置的Sub Biomes的生成位置信息了。

Size和Scale

即便是同一个Species里的同一种植被，因为生长环境和时间的不同，也会有大小（Size）的区分。自然界中，通常小树会长在树林的边缘，而大树更倾向在树林的中央。需要用Size来控制不同生长程度的植被的大小，再使用Scale增加一些随机的变化，让整个森林更加自然。下图增加了5级的Size后，虽然有了一定的变化，但还是会有阶梯状的感觉。

在Size级别之间增加了Scale后，阶梯感就消失了。

使用Size和Scale设置，有了不同比例的同种类树木后，就要想办法把合适大小（Age）树木布置到场景里。

Age

如何在正确的位置摆放对应Size和Scale的植被，是通过让植被的Age与Size对应，来选择摆放多大尺寸的树木。前文也提到，自然的树林是边缘的树龄小，中心的树龄大的分布。通过面板上的Age Max Distance的值，基于Viability的Volume值收缩一定距离后再生成SDF，作为Age使用。再根据Age对Size的Influence和Age Ramp，得到对应树木的Size。

通过Age Ramp对应不同的Size的分布

Density

通常是使用Houdini的Scatter设置一定的密度值，再将Viability的Mask转为Point Could。但默认的方式转换，每个Point自身没有Size信息，当密度过大，或者Scatter不同Size的植被时，很容易会出现同一种植被相互叠加的情况。所以这里要将Size转算为Density值，Size越大，Density越小。