引擎设计跟踪 地形LOD的改进

Posted 2020-09-30 游戏人生

虽然地形已经有LOD和形变（geomorphing, 这里简称morphing）来进行LOD的渐变，从而避免bump， 但是如果LOD级别过多，远处的高山就会严重丢失细节，比如变成尖尖的凸起，非常丑陋，这是morphing无法解决的。

解决一种方式是使用强制的固定LOD （fixed LOD），如果一个block的高度（maxH）或者高度比率（dH/dX）超过一定阈值，就使用固定的高细节的LOD。

例如LOD 0为最高细节，aab为block的包围盒，那么：

1  if(aab.getSize().y / aab.getSize().x >= THRESOLD)
2      block.fixedLOD = 1;    //use the 2nd largest detail level. the most largest 0 is better.

 之前我也考虑过类似的问题， 比如一个block如果是*的，那么就使用固定的最低细节的LOD。 这个想法我也是开的脑洞，看起来非常简单，但是实现起来有很多坑：

 

1.LOD链接问题

通常的LOD索引方法，只处理了相邻两级LOD的缝合链接： LOD_n--- LOD_n+1  (1:1)，中间不会有2级以上的跳变。但是如果一个block是固定的级别f，那么对于所有的LOD级别，要处理LOD_f--LOD_n的缝合问题。

如果固定LOD级别f有n个，数量就是n：n（n对n），index buffer会呈指数级增长，非常浪费。如果固定LOD级别f比较少，比如只有两种: f=0 和 f=max(LOD)，实际上index buffer的数量不会太多，

只需要生成2:n （2对n）的缝合。实际上1种或者两种就足够了，f=max(LOD)是针对*的地形block的优化，可有可无，一般地形里面纯*的地面比较少，除了像城市这种场景，里面可能会多点。

另外一种避免浪费的思路是，把中间和四个边的index buffer 拆开，因为中间是大部分index buffer的内容，边上的skirt缝合数据非常少，不管是1:1还是n:n，基本都可以忽略不计。这样每个block要分2个draw call，数量会double，但在开启批次合并时并没有损失。

 

2.LOD morhping的问题

如果一个block使用了固定LOD，顶点不会有任何改变，那么这个block的morphing已经没有意义了。原来的morhping数据反而会对固定LOD产生影响，导致一些不必要的高低起伏，表现为一些奇怪的凸起。

比如vertex buffer存储了morphing 高度， 就需要清除掉，使用原始高度，关闭morhping。同时，相邻的那些block， 如果不是固定LOD级别，也要清除掉一排边缘衔接顶点的morphing数据，否则一边没有morhping，另一边有，这样也有问题，会有裂缝。

 

3.LOD 索引生成的方式

假如有一个固定LOD级别f，那么对于f，要生成1对n的缝合。缝合的方式和正常的LOD_n--- LOD_n+1缝合方式类似，生成各个边的skirt。

主要问题是生成skirt的方式，可能会影响顶点插值效果。要尽量避免狭长的三角形，因为使用了fixed LOD的block，通常高度或者高度差很大，如果有狭长的三角形，那么他的两个顶点的高度可能差距很大，导致这个三角形的边非常突兀，具体表现为一个非常硬的边和旁边一个凹陷的坑（在加了shadow和AO之后更加明显）。

比如下面的这种就是不好的 (bad tesselation pattern of LOD skirt)：

下面这种更好

 

最后发效果截图.。512x512地形， 6级LOD 从远处看：

 

下图是加载范围为1536x1536 （512x3）的地形，6级LOD。可以看到远处山的细节还在，*处纯*面的地形的三角形数量很低 （图中有bug已经修复）

 

另外，目前世界和地形的最大范围为16km（千米），因为原点在（0，0，0），范围为0~16km，损失了符号位的精度。如果将原点设置在-16km，范围为-16km~16km，世界最大范围就能达到32km。

关于最大范围的预估，可以根据IEEE754的浮点数来简单确认，float32的尾数位为23， 而游戏的最小精度大概要1毫米，即10^-3，约等于1/1024 = 2^-10， 要占用10位，剩下13位，就是8km，加上符号位是16km， 如果精度降低到2毫米，2^-9，最大范围可以支持到32km。

如果要支持更大的范围，那么就需要用local坐标系或者类似的方法，或者再加上渲染前直接用物体和相机的相对位置，等等。工作太忙，暂时放后面有时间再做。

 

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 总的来说，ChunkLOD虽然比较老，没有充分利用现代GPU的优势，但是也比较适合大型世界，玩法也不算少，而且目前来说更适合mobile。如果是geometry clipmap的话，还没想过如何实现上面类似的效果。

---更新：clipmap也很简单，远处的高山也用高密度网格，采样mip用更高级的miplevel，比如0或者1，效果应该也是类似，但是也要处理缝合。

---更新2：因为clipmap周边低lod网格是空心的“回”型结构，所以高密度网格不管是直接做到这些低密度网格里，还是用缝合衔接，都比较复杂，并不简单。想到的可能方法，至少要对固定LOD的高密度网格分chunk，因为这些网格的形状（高LOD的范围）不固定。