GPU Gems1 - 7 无数波动草叶的渲染

本文部分参照该文章https://zhuanlan.zhihu.com/p/35974789

1.引言

本章介绍了一种灵活的，广泛应用的草模拟。该方案渲染的草不仅生长得自然，也能够逼真地在风中舞动，而且性能很高。

2.概述

首先，需要意识到，对单个草叶的细节建模意义不大，因为那样大片草地需要的多边形数目会太多。所以，我们必须建立一个符合以下条件的简单而有用的替代方案：

许多草的叶片必须由少数多边形表示。
草地必须从不同的视线看起来显得密集。

而要做到让场景不依赖于摄像机的位置和方向，可以把一些草叶组合起来，表示在一个纹理中，并将多个纹理组合起来，且在结果中单个的多边形不应该引起注意。当观察者四处活动时，通过将草体加入混合操作或者移除混合操作，以在距离范围内增加或删去草体，来保证整个草地的渲染效果具有稳定的视觉质量。

3.草体的准备

3.1 草的纹理

草的纹理，应该是一些一簇一簇聚集丛生的草，否则，会出现大片的透明区域。需在透明的alpha通道上画实体草茎。在彩色通道中，用深浅不同的绿色和黄色，来较好地区别各个单独的叶片，也应该模拟不同情况的草叶：长得好的和长得差的、老的和嫩的，甚至区别叶片的前面与后面。

下图是一个草地纹理的示例。

3.2 草体

对于线性排布，如果从垂直于多边形的方向观看场景，就会立刻穿帮，看出草地多边形的结构是线性排布的。另外这种情况下草地会看起来非常稀疏。只有在摄像机自动导航，或者渲染无法到达的远距离草地时，才会考虑这样的排布。为了保证独立于当前视线的良好视觉质量，我们必须交叉地排布草地多边形。已证明，使用星型结构是非常好的。下图给出了“草体”可能的两种变体。

他们由3个相交的方块构成。我们必须禁用背面剔除来渲染多边形，以保证双面都可见。为了得到合适的照明度，应该让所有顶点的法线方向与多边形的垂直边平行。这保证了位于斜坡上的所有草体都可以得到正确的光照，不会因为地形的亮度而出现差异。

如果把这些草地物体彼此相当靠近地设置在一个大的区域里，如下图。在运行期间把它们从后向前进行排序，使用alpha混合，并启用DrawCall中的z-testing/writing，那么就会得到自然而茂密的草地渲染效果。

4.草地的动画

关于草地的动画，基本思想是以三角函数（尤其是正弦和余弦）为基础进行计算，且计算应该考虑到移动的位置和当前时间、风向和强度。我们的每种技术都只移动草体较高的定点。在一个顶点shader中，通过检查纹理坐标，区别较高的顶点和较低的顶点是很容易的。对草纹理而言，所有的上面顶点应该有相同的v坐标。本文首先实现一个顶点shader的框架，在所有的3种动画技术实现方案中都使用该框架，只有纯动画的部分有差别。

顶点shader框架如下：

动画部分实现起来有几种方法：

1）每草丛草体的动画（Animation per Cluster of Grass Objects）。

对一丛靠近的草体，上面的多边形顶点统一地发生移动。动画的平移矢量由cpu计算，若在cpu上使用更费时的算法，还可以让我们利用非常复杂的风模拟。因为每丛草体由它自己的平移矢量来支持，所以必须针对每丛草体来改变这个常量，因此不得不经常地打断对整个草地的渲染，而且为每丛草体使用独立的绘图调用。

优点：

复杂的动画计算基于cpu算法进行
因为一个多边形上顶点的距离是固定的，所以不发生变形。

缺点：

需要许多的draw call
由于整个草丛的所有顶点同步动画，可能出现聚集成簇的现象。

算法：

在cpu上计算一个草丛平移矢量
为顶点shader把平移矢量设置为一个常量
为该单个草丛执行一个drawcal
调用顶点shader，把平移矢量加到上面顶点的位置

2）每顶点的动画（Animation per Vertex）

为了减少绘图调用，我们需要把动画计算移进顶点shader内，shader能够相对于它的位置分别的移动每个顶点。如下图所示：

因为对每个顶点的移动是分别计算的，各顶点移动的距离不再是常数，所以可见的变形会出现，但是通常这些失真不易觉察。

优点：

drawcall很少，甚至仅仅1个
在顶点的shader中改变顶点位置，产生连续的风吹草地引起的波动荡漾
不会看出个别的草丛。

缺点：

出现变形
由于缺少了局部的无序，动画可能显得过于均匀
动画计算的复杂性受到限制

算法：

为顶点shader设定常量，例如风的基本强度和方向，时间延续性等。
为完整的草地或大面积的草场执行一次draw call
调用顶点shader，在shader中计算顶点位置的动画

3）每草体的动画（Animation per Grass Object）

吸取前两个方法的各自优点，我们可以计算动画不是基于每个顶点的位置，而是基于草体的中心位置。因为附近的草体现在有不同的动画，我们能表现那种要求的局部混乱，每个草体内的顶点移动相同，又避免了变形。为了做到这一点，每个顶点必须知道它所在草体的中心位置。因为顶点shader必须读取这个值，所以这个信息所需要的草体位置矢量必须在顶点格式中。

优点：

drawcall很少，甚至仅仅1个
没有变形
局部多变，画面更自然

缺点：

因为每个顶点也包含它的草体的中心位置值，所以在顶点格式中需要附加数据
动画计算的复杂性受到限制

算法：

为顶点shader设定常量，例如风的基本强度和方向，时间延续性等。
为完整的草地或大面积的草场执行一次draw call
调用顶点shader，以草体的中心位置为基础在shader中计算顶点位置的动画

【核心要点总结】

1）草的纹理，应选取一簇一簇聚集丛生的草。在透明的alpha通道上画实体草茎。在彩色通道中，用深浅不同的绿色和黄色，区别各个单独的叶片。

2）草体的渲染，适合进行交叉排布，从后向前进行排序，使用alpha混合，并启用Draw
Call中的z-testing/writing，便能得到自然而茂密的草地渲染效果。

3）草地的动画，以三角函数（尤其是正弦和余弦）为基础，且应该考虑到移动的位置和当前时间、风向和强度。实现起来有三种方法：

每草丛草体的动画（Animation per Cluster of Grass Objects）
每顶点的动画（Animation per Vertex）
每草体的动画（Animation per Grass Object）