【地形】【虚拟纹理】地形虚拟纹理技术介绍

　　游戏开发中地形是一个绕不开的主题。一种地形方案是地表纹理是一张由美术生成好的大图，这种方式的好处是地形的每一处看起来都不会重复，但当地形变的非常大时，纹理图也会变的更大，一张10kx10k的地图，如果按一厘米每个像素的分辨率，需要的贴图大小将达到10个G，在目前的PC游戏中，这个大小的磁盘空间也许可以接受，但要将这么大的贴图加载到内存还是不太现实的，这时就需要合理的技术来加载需要的纹理，虚拟纹理技术（Virtual Texture）正是可以解决这个问题，其主要思想是假设地形的拥有是一张非常的大的纹理，但纹理坐标对应的是另一块比较的物理纹理上的颜色值。如下图，左边是非常大的虚拟纹理，右边是实际用到的物理纹理，我们将大的纹理切割成一个个小的Tile，将在形当前位置能够看到的纹理按不同miplevel填充到物理纹理中， 当用实际纹理的uv去采样时，实际采样的物理纹理中的一个纹理Tile。

　　那么如何得到这些纹理Tile呢？ 首先要为大的纹理生成mipmap，如一张64x64的纹理分别生成32x32、16x16、8x8、4x4、2x2、1x1的mipmap纹理，然后将些纹理切割成2ⁿx2ⁿ、2^n/2x2^n/2、2^n/4x2^n/4... 2^n/nx2^n/n、2⁰x2⁰数量的块，如64x64大小的纹理，切割成4x4、2x2、1x1大小的块，不能再切割level的mipmap则使用1x1。

 

　　现在这些纹理Tile有了，要解决的是地形Mesh如何使用这些Tile，我们同样将地形分割成大小相同的格子，然后将这些格子按四叉树的方式存储，如下图红框中分别为四叉树不同层的结点，四叉树的根节点存储的是最外层红框Chunk，叶子结点存储的是内层红框Chunk信息，由内到外不同层的Chunk分别对应纹理不同miplevel的相同大小的tile块，这样，就可以将这些用到的tile块绘制到物理纹理的tile中。

 

 

　　现在还有一个问题，那就是如何计算虚拟纹理到物理纹理的映射。这里可以用一张间接纹理来存储这种关系。下图中间那图即这张间接纹理，它的每个像素对应了地形的每一块，即将地形分成了NxN块，那么间接纹理的大小就是NxN，在间接纹理中，一个像素的RG存储了当前虚拟纹理uv对应在物理纹理中的Tile所在的位置，B存储了当前miplevel级别，A存储一些调试信息。

 

  利用间接纹理中储存的信息，可以计算出物理纹理中的所在的uv值，伪代码如下：

IndirectUV = floor(uv * IndirectSize) / IndirectSize;
Info = texture2D(IndirectTexture, IndirectUV) * 255;
InTileOffset = frac(uv * exp2(MaxMipLevel – info.b));
PhysicsUV = (Info.rg + inTileOffset) / PhysicsTileCountXY;

代码中输入值为虚拟纹理中uv，第1行计算出在间接纹理中的IndirectUV值，第2行采样间接纹理，取到物理Tile中的偏移值和MipLevel，第3行计算在Tile块内的偏移，从上图左图中可以看到，当大的Chunk块uv值在相同物理Tile中计算uv时，需要根据MipLevel进行缩放，第4行代码加上了Tile块的偏移，并计算最终物理纹理中采样的PhysicsUV值。

 　　上面讲到的地形方案中，纹理是预先生成好的，其缺点已经说过，当地形变的很大时，资源量是非常大的，另一种常用地形方案是基于Splat图进行混合的方案。这种方案用每四张splat小图一张controll图的方式进行混合，最终生成丰富的地形表面。

 

 　　上面的地形就是用中间的controll图对下面splat图进行混合等到的效果，因为这些splat图非常小，并且可以复用，因此这种方案的优点是内存和包体空间占用比较小。但这种方案缺点是纹理采样阶段需要采样的纹理是会变的很多，用八张splat图生成的混合方案最基础的需要2张controll图+8张splat图+8张normal图 = 18次采样，如果加上detail图，采样次数会更多。这时我们以运行时将这些纹理图的采样结果渲染张到两张RT上，一张albedo图和一张normal图，这样我们在每次采样时，只需要对这两个图采样就可以了。同样这里用到了上面提到的虚拟纹理技术，这里称为Procedure Virtual Texture或Runtime Virtual Texture，只是物理纹理中的Tile块不再是从磁盘中读取，而是运行时动态生成的。为了避免一帧内执行大量bake渲染操作，这里可以将bake操作分配到多帧中，同时限制一帧最多bake请求数量，以达到稳定的帧率。

　　在实际应用中，还需要考虑Texture Filter问题，还有当地形变的很大时，Adaptive Virtual Texture技术又将虚拟纹理（这里实际是Indirect纹理）生成不同mipmap大小的纹理以减少和内存占用，详细见参考文献。

参考文献：

https://www.bilibili.com/video/av94157267/?vd_source=7583580bcd0cfe490c646c570643fc3b

http://mrelusive.com/publications/papers/Software-Virtual-Textures.pdf