(转)Unity 3D中的无限大地形的生成和调度

Posted 2020-10-08 虎鲨

随着硬件性能的不断提高，游戏的地形变得越来越大也更加细节化了（增加了更有特点的地形，大片的草地，还添加了树木，水等物体。在过去几年时间里，地形已经逐渐增加到长达数百平方英里，特别是在RPG游戏中。

在本教程中，我将向您展示如何生成需要超级长的时间才能浏览完的3D地形。我们将使用Unity3D引擎和C＃语言编写代码。需要一些基本的编程知识——尽管完整的源代码可以免费下载（见下文），但在本文中，我只会解释最重要的部分并说明示例的代码。

   

教程开始

最流行的观看3D地形的方式就是应用某种形式的高度图。高度图是由一组海拔数据构成的图像，图像的尺寸与地形的宽度和高度相匹配。颜色越暗，地面越高。下面您将看到这样的数据是如何转换成可见的网格物体的：

   

   

   

   

因为我们想要的地形是无限大的（或者说是非常广阔的），我们不能直接使用高度图——因为存储所有数据所需的内存空间太巨大了，并且高度图的分辨率会增长到数千个像素。

我们可以将它分成一个个的被称为"块"的片段，而不是完整的做一个特别大的地形。每个块都将有自己的网格，并且几个相邻的块将无缝地融合到一个更大的地形中。您可以将它们视为具有2D（X / Z）坐标的方形图块。关键是要在玩家周围创建多个地形块（在视线范围内），并随着玩家位置的移动并不断调整地形块的分布。离相机太远的旧块将被删除以释放内存。见下图：

   

   

   

单块几何形状的描述方法：

*长度 - 这是Unity单位中的块边框的大小

*高度 - 这是块中地形的最大可用高度（也称为Unity距离单位）

*高度图和透明图的分辨率——它们可以表示出块的网格和纹理有多么的准确——分辨率越高，我们就能获得越复杂的网格。根据Unity文档，它的尺寸需要满足N的2次方+1（例如129，513）。

   

将它放在代码中——这个是地形块设置类：

[代码]：

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print?

1	public class TerrainChunkSettings
2	{

 

3	public int HeightmapResolution { get; private set; }
4	public int AlphamapResolution { get; private set; }

5

6	public int Length { get; private set; }
7	public int Height { get; private set; }

 

8

}

   

这个是地形块类（现在我们将跳过这个方法）：

[代码]：

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print?

01	public class TerrainChunk
02	{

 

03	public int X { get; private set; }

04

05	public int Z { get; private set; }

06

07	private Terrain Terrain { get; set; }

08

09	private TerrainChunkSettings Settings { get; set; }

10

11	private NoiseProvider NoiseProvider { get; set; }
12	}

   

每个块由其X / Z位置（见上图），设置和Unity 地形对象（通过网格表现的实际游戏物体以及渲染场景所需的所有东西）等因素来进行定义。最后一个字段-——NoiseProvider——将在下面讨论。

[代码]：

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print?

01	public class TerrainChunk
02	{

 

03	public int X { get; private set; }

04

05	public int Z { get; private set; }

06

07	private Terrain Terrain { get; set; }

08

09	private TerrainChunkSettings Settings { get; set; }

10

11	private NoiseProvider NoiseProvider { get; set; }
12	}

   

那么如何创建一个拥有很多起伏和纹理的山谷或山丘的高度图呢？

有很多方法可以达到这一目的——您可以在程序生成维基上找到大量的关于它的信息。我们将通过使用LibNoise库，来用相关的噪声值填充我们的高度图。关于噪声值的细节以及使用方法可以参考以下两个网站（http://libnoise.sourceforge.net/tutorials/tutorial3.html 和http://libnoise.sourceforge.net/tutorials/tutorial3.html）——我强烈推荐这两篇文章。

暂且忽视那些细节问题，3D空间（x，y，z）中的所有位置，都可以代表示一个特定的噪声值，这些噪音值转化为纹理后，就会形成一个类似于真实的地形的图像。

目前我们只介绍X 和z两个部分，因为我们只在平面上创建地形，所以跳过Y方向上的，。LibNoise将噪声值从-1返回到1，而我们则需要将其缩放为0到1的范围（该比例更方便）。

我创建了INoiseProvider接口，强制在Unity世界空间中为给定的X / Z坐标返回一个值（这是一个重要的信息）。 NoiseProvider类会通过Perlin噪音接收这个值（参考以上两个链接）——而这仅仅只是一个开始。

[代码]：

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print?

01	public class NoiseProvider : INoiseProvider
02	{

 

03	private Perlin PerlinNoiseGenerator;

04

05	public NoiseProvider()
06	{

 

07	PerlinNoiseGenerator = new Perlin();
08	}

09

10	public float GetValue(float x, float z)
11	{

 

12	return (float)(PerlinNoiseGenerator.GetValue(x, 0, z) / 2f) + 0.5f;
13	}

 

14

}

   

好了——我们已经有了简单的噪音发生器。现在就来着手解决关于Unity地形的技术问题。

通常您可以从GameObject / 3D Object / Terrain菜单创建一个地形。 但是，如果要通过代码创建地形，我们需要地形数据对象（其中包含生成地形网格所需的大部分信息），然后就可以设置高度图值，分辨率和地图的大小了。之后，我们使用Unity创造地形游戏物体的指令来创造地形图里的游戏物体，设置物体的变换位置，运用所有的数据确定新生成物体的最合适的位置——其余的由Unity自动完成。

以下是简单介绍：

[代码]：

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print?

01	public void CreateTerrain()
02	{

 

03	var terrainData = new TerrainData();
04	terrainData.heightmapResolution = Settings.HeightmapResolution;

 

05	terrainData.alphamapResolution = Settings.AlphamapResolution;

06

07	var heightmap = GetHeightmap();
08	terrainData.SetHeights(0, 0, heightmap);

 

09	terrainData.size = new Vector3(Settings.Length, Settings.Height, Settings.Length);

10

11	var newTerrainGameObject = Terrain.CreateTerrainGameObject(terrainData);
12	newTerrainGameObject.transform.position = new Vector3(X * Settings.Length, 0, Z * Settings.Length);

 

13	Terrain = newTerrainGameObject.GetComponent<terrain>();
14	Terrain.Flush();

 

15	}</terrain>

   

您将看到一个GetHeightmap指令，这个指令就是通过使用前面提到的噪声值来填充我们的高程值：

[代码]：

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print?

01	private float[,] GetHeightmap()
02	{

 

03	var heightmap = new float[Settings.HeightmapResolution, Settings.HeightmapResolution];

04

05	for (var zRes = 0; zRes < Settings.HeightmapResolution; zRes++)
06	{

 

07	for (var xRes = 0; xRes < Settings.HeightmapResolution; xRes++)
08	{

 

09	var xCoordinate = X + (float)xRes / (Settings.HeightmapResolution - 1);
10	var zCoordinate = Z + (float)zRes / (Settings.HeightmapResolution - 1);

11

12	heightmap[zRes, xRes] = NoiseProvider.GetValue(xCoordinate, zCoordinate);
13	}

 

14

}

15

16	return heightmap;
17	}

   

它是如何工作的？

为了填充整个海拔数组值（其尺寸等于地形分辨率），首先需要叠加这些噪音值数据以获得每个位置（X / Z）的值。NoiseProvider的最终坐标=块位置+叠加后的数据 /（分辨率-1）。这样我们可以将X / Z方向缩放为0..1（第一块），1..2（第二块），2..3（第三块）等。而且我们新增加的数据不会破坏之前创建的NoiseProvider，只是在以前的基础上完善地图的细节。

好的，现在核心的应用程序已经设置好，是时候进行一些测试了。

   

创建一个129分辨率的单块，尺寸为100米，高20米。

[代码]：

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print?

1	void Test()
2	{

 

3	var settings = new TerrainChunkSettings(129, 129, 100, 20);
4	var noiseProvider = new NoiseProvider();

 

5	var terrain = new TerrainChunk(settings, noiseProvider, 0, 0);
6	terrain.CreateTerrain();

 

7

}

   

使用上述程序设置好后就能得到如下地形图啦！

   

   

   

它目前确实看起来还不太完善，因为还没有应用纹理，但是您已经可以看到一些山丘起伏，这已经是一个很好的开始了。

   

现在我们需要完善它，创建一些更多的块，使地形看起来更大：

[代码]：

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print?

1	void Test()
2	{

 

3	Settings = new TerrainChunkSettings(129, 129, 100, 20);
4	NoiseProvider = new NoiseProvider();

 

5	for (var i = 0; i < 4; i ++)
6	for (var j = 0; j < 4; j++)

 

7	new TerrainChunk(Settings, NoiseProvider, i, j).CreateTerrain();
8	}

   

   

从上图可以看出，地形正在增长，说明我们的目的正逐步实现。目前我们有16块地形，每个块都有各自独立并拥有自己的网格特点。我们可以添加更多的块，来扩大地图，但让我们先停下来思考一下...

您可能已经注意到了，创建更大的地形需要很多时间。在我的PC上创建16个块需要约1500毫秒，而这期间整个应用程序都会被冻结，玩家体验时很容易发现这一点，这会给他们带来不顺畅的游戏体验。

大部分的延迟是由于需要大量的计算每个地形部分的噪声值。这种性能问题在单线程应用程序中很常见。要解决这一问题，我们需要将高度生成函数放在独立于主线程的单独线程中。我们可以通过在创建的线程上创建块来提高计算的效率。主应用程序的线程就不会冻结，生成时间也会加快。

   

这种改进会使代码发生很多变化，主要包括：

*添加了地形块生成类——它可以添加和删除块，使地形一直保持最新状态，它可以用作地形和其他应用程序之间的主要接口。如果某些地形需要修改，那么应该通过使用此类中相应的指令来进行修改。

*添加了缓存块类——它用于保存所有正在请求和已经创建的块的信息。它还追踪块的状态。

*块由X / Z位置来标识，这是唯一的区别不同块的方式。我创建了Vector2i类来保存有关块的位置的信息。

我还添加了删除块的功能。删除块时，就把它添加到队列中。每个帧缓存块都会检查此队列，并尝试删除这些块。如果块正在生成则无法删除，这种情况下，它的删除将被延迟，直到完成生成块时才可被删除。它可能不是最有效的方式，但是处理速度很快，且操作方便。只需缓存块类中的删除整列块指令就可实现块的删除。

现在我们来编写在玩家周围生成大量的块的程序。我们需要在玩家周围创建的所有块的坐标列表，以确定玩家的位置，以及它与生成的新块的距离。下面来看看这段代码：

[代码]：

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print?

01	private List<vector2i> GetChunkPositionsInRadius(Vector2i chunkPosition, int radius)
02	{

 

03	var result = new List<vector2i>();

04

05	for (var zCircle = -radius; zCircle <= radius; zCircle++)
06	{

 

07	for (var xCircle = -radius; xCircle <= radius; xCircle++)
08	{

 

09	if (xCircle * xCircle + zCircle * zCircle < radius * radius)
10	result.Add(new Vector2i(chunkPosition.X + xCircle, chunkPosition.Z + zCircle));

 

11	}
12	}

13

14	return result;
15	}</vector2i></vector2i>

该个程序需要输入初始块的位置和半径数值，并给出与圆方程匹配的所有坐标。比如： 输入位置（0,0），组块半径为7（玩家位置在中间）：

   

   

   

   

这一技术的神奇之处就是——只是给玩家提供一个幻想中的无限的地形。为了达成这个效果，我们必须经常查看他的位置，当他面向不同的方向时为他添加新的大块地形。而那些视线之外的旧块则被删除。这样，玩家不但能移动很长的距离，而且仍然能看到他（或她）附近几英里的地形。

我们正通过新创建的游戏控制类监控玩家的运动轨迹。 它负责对高级应用程序（管理玩家）的控制，以及与地形发生器和UI交互的通信。 一旦检测到某个玩家已经移动到块的边界时（换句话说，他移动到需要创建新块的范围了），我们就在相应的地方创建新的块并删除视线范围外的块。

   

以下是相应的编码：

[代码]：

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print?

01	public void UpdateTerrain(Vector3 worldPosition, int radius)
02	{

 

03	var chunkPosition = GetChunkPosition(worldPosition);
04	var newPositions = GetChunkPositionsInRadius(chunkPosition, radius);

05

06	var loadedChunks = Cache.GetGeneratedChunks();
07	var chunksToRemove = loadedChunks.Except(newPositions).ToList();

08

09	var positionsToGenerate = newPositions.Except(chunksToRemove).ToList();
10	foreach (var position in positionsToGenerate)

 

11	GenerateChunk(position.X, position.Z);

12

以上是关于(转)Unity 3D中的无限大地形的生成和调度的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Unity3D开发《我的世界》之创建无限地形

unity3D中如何生成世界地形，动态加载和卸载？

Unity无限地形搭建基础

Unity 3D 使用高度图创建地形|| Unity 3D 使用笔刷绘制地形

Unity3D自带功能：地形（Terrain）

Unity3D游戏开发 地形系统

13	foreach (var position in chunksToRemove)
14	RemoveChunk(position.X, position.Z);