存在不少东西没有看懂，后续需要再整理一遍。

大地之神与天空之神

课程定位：GAMES104《现代游戏引擎：从入门到实践》第6讲，主题为"Mother Nature（自然之母）“的渲染——如何用0和1表达壮美的自然界。

“大地之神”（God of the Earth）与"天空之神”（God of the Sky）：游戏引擎团队中，负责地形系统的工程师被称为"大地之神"，负责天空、光照、云层的被称为"天空之神"。这些称号是团队自发形成的，体现了对自然渲染技术的热爱。

渲染自然之美：从西班牙洞穴壁画到毕加索，人类对自然的表达本能延续至今。游戏引擎开发者的使命是用数学公式将山川、河流、天空转化为虚拟世界。

地形渲染基础（Terrain Rendering Basics）

核心概念：Height Field（高度场/高程图）

定义：地形在游戏引擎中称为 Terrain，源自古英语中"地球之母"的含义。

Height Field 是最基础的地形表达方式：

• 使用二维灰度图表示地形高低（类似等高线地形图）
• 数学本质：$y = f(x,z)$，单一数值函数
• 早在计算机游戏出现前，测绘领域已使用等高线（Counter）表达地形

几何生成：

• 生成均匀网格（如每1米一个顶点）
• 根据Height Field对顶点进行Y轴位移
• 早期方法简单，但开放世界（Open World）中数据量爆炸（1km×1km需100万个顶点）

分形（Fractal）与自然规律

自然界的地形（山脉、海岸线、腐蚀痕迹）符合分形原则：无限自相似的形状。这一数学规律是程序化生成地形的基础。

地形LOD（Level of Detail）技术

核心矛盾：近处需要细节，远处需要效率。

LOD原则：

1. 距离相关：近处密，远处疏
2. FOV（Field of View）相关：视角越窄（如开镜），三角形越细密；视角越宽，越稀疏
   • 原理：相同屏幕像素下，FOV越小，单个物体占据像素越多，需要更高几何精度
   • 应用：3倍镜、8倍镜的实现就是缩小FOV

网格细分算法

Binary Triangle Tree（基于三角形的二分细分）

• 方法：永远对等腰直角三角形的最长边（斜边）中点切分，生成两个新的等腰直角三角形
• 结构：二叉树结构
• 问题：T Junction（T型连接/裂缝）
  • 当相邻三角形细分层级不同时，共享边上出现"一边有顶点，一边无顶点"的情况
  • 结果：地形出现裂缝（看到天空背景的白边）
  • 解决：强制细化较粗的一边，直到与邻居同级

Quadtree（四叉树）- 现代游戏主流方案

• 思想：将地形切成"豆腐块"，符合人的直觉和计算机存储规范（纹理、高度图都是方块状）
• 层级：
  • Block：如512m×512m磁盘数据块（存储高度图、贴图、植被、建筑信息）
  • Patch：继续细分为64m×64m等
  • 细分到视觉极限后停止合并

T Junction解决方案：Stitching（缝合）

• 不修改几何拓扑，而是将多出的顶点"吸附"（Stitch）到邻居边上
• 形成退化三角形（Degenerate Triangle）（面积为0的三角形）
• 优点：不改变网格结构，代码实现比Binary Triangle Tree简单

地形GPU Driven Tessellation

传统管线（DX11）

• Hull Shader：生成细分用的Patch（控制点）
• Tessellator：硬件固定单元，按设定次数细分边
• Domain Shader：在细分后的顶点上采样高度图，位移顶点
• Geometry Shader：后处理，传递顶点数据到下一阶段

现代方案：Mesh Shader（DX12+）

• 革命性变化：合并Hull、Domain、Geometry Shader，一次性生成Meshlet（小片几何体）
• 优势：
  • 程序员完全控制细分算法
  • 更灵活的几何生成能力
  • 为动态地形（Deformable Terrain）提供基础

动态地形（Dynamic/Deformable Terrain）

应用场景：

• 拖拉机在稻田压出车辙
• 《战神》中的可变形雪地
• 炮弹爆炸留下的弹坑

实现逻辑：

1. 使用GPU Tessellation实时生成几何
2. 在Runtime维护一张Deformation Texture（变形贴图）
3. 在Vertex Shader中叠加变形偏移量
4. 物理同步：需同步更新碰撞体（Collision Mesh），否则出现"人走在虚空"的Bug

复杂地形特征：超越Height Field

Height Field的局限

• 无法表达垂直悬崖（Overhang）
• 无法表达洞穴（Cave）、隧道

传统Hack方案

• 挖洞标记：在Vertex Shader中，将需要挖洞区域的顶点输出为NaN（无效数），GPU会自动剔除相关三角形
• 接缝处放置物体：在悬崖边缘人工放置岩石模型遮挡接缝

Volumetric Terrain（体素化地形）+ Marching Cubes

概念：在三维空间体素（Voxel）中存储密度值（Weight），而非单一高度。

Marching Cubes算法：

• 根据8个体素点的密度值，查找预先定义的15种（或更多）剖分方式
• 生成水密的三角网格（Watertight Mesh）
• 应用：CT扫描可视化、数字人、流体模拟

现状与展望：

• 目前主要用于《Minecraft》等体素游戏
• 挑战：LOD过渡、数据管理复杂
• 潜力：实现真正的全动态地形（任意挖洞、挖掘）

地形材质系统

Texture Splatting（纹理 splatting/混合）

基础方案：

• Splat Map（混合贴图）：每个通道代表一种材质的权重
• 材质属性：Base Color、Normal、Roughness、Metallic、Height

Height Based Blending（基于高度的混合）：

• 问题：Alpha混合导致沙子"浮"在石头表面，不真实
• 解决：结合Height Map比较高度，高者保留，低者消退
• 效果：沙子填充石缝，草从石缝生长，而非覆盖石头

优化抖动：

• 加入Bias（偏移量，如0.2）和Smoothstep，避免材质切换时的锐利分界和远处视角的闪烁（Aliasing）

Multi-Material Management（多材质管理）：Texture Array

• 概念：将多层无关的2D纹理堆叠，用Index访问（而非3D Texture的Trilinear插值）
• 优势：支持几十种材质混合，层间无插值开销
• 数据组织：Splat Map同时存储材质Index和混合权重

凹凸细节增强

• Parallax Mapping（视差贴图）：
  • 通过光线步进（Raymarching）模拟视差
  • 产生立体感的凹凸效果，但几何边界仍平整
• Displacement Mapping（置换贴图）：
  • 结合Tessellation真实位移顶点
  • 成本较高，未来趋势

Virtual Texture（虚拟纹理）

核心思想：只加载视锥内可见区域的纹理，类似操作系统的虚拟内存管理。

工作流程：

1. 将大地形划分为多级Tile（瓦片），组成Mipmaps金字塔
2. Physics Texture（物理纹理/缓存）：仅存储当前可见的Tile
3. Feedback/Indirection：通过查找表（Page Table）将UV映射到物理纹理位置
4. 异步加载：通过"小徒弟"（线程/IO系统）从磁盘/内存按需加载Tile，卸载不可见Tile

优势：

• 内存：显存占用有理论上限（几何级数收敛）
• 性能：材质混合在加载时预计算（Baking），Runtime直接采样单张纹理，极大降低Overdraw和Texture Sampling开销

硬件加速：

• DirectStorage：硬盘→显存，保持压缩状态传输，在GPU解压
• DMA（Direct Memory Access）：PS5技术，数据直接从SSD到显存，绕过CPU和内存总线

浮点精度问题（Floating Point Precision）

问题：32位Float在表达大范围世界（如地球到月球，或大型开放世界）时，小数部分精度不足（精度随数值增大而降低），导致远处物体抖动（Jittering）。

现象：在2-3公里外，数值达数万时，小数精度可能超过1厘米，导致贴花（Decal）与墙面打架、物体闪烁。

解决方案：Camera Relative Rendering（相机相对渲染）

• 将相机坐标设为原点（0,0,0）
• 所有世界坐标减去相机坐标，转换为相对坐标
• 保留高精度的小数部分，消除抖动

其他方案：

• 使用Double（64位浮点）：数据量和带宽成本过高
• Sublevel（子关卡）相对坐标：UE5等大型引擎采用，每个关卡重置坐标系

环境要素系统

树木渲染（Foliage）

• SpeedTree：行业标准的植被中间件
• LOD策略：
  • 近处：真实Mesh
  • 中距离：插片（Card）组合
  • 远处：Billboard（公告板）

Decorator（装饰物）

• 定义：小草、碎石、小灌木等环境细节
• 技术：Simple Mesh、Billboard集群渲染

道路系统（Road System）

• Spline（样条曲线）：艺术家通过控制点拖拽生成道路
• Erosion（腐蚀/切割）：道路生成后，需对Height Field进行切割和平整处理，使山地适合作道路

Decal（贴花）

• 定义：投射到表面的细节纹理（如弹孔、污渍、路面标线）
• 应用：与Virtual Texture结合，烘焙到地形贴图中

程序化生成（Procedural Generation）

趋势：从手工编辑转向基于规则的程序化生成。

能力：

• 基于坡度、高度、材质类型自动生成植被（阔叶林→针叶林过渡）
• 模拟流水腐蚀生成山脊、冲沟
• 自动生成道路网络

要求：引擎开发者需具备博物学知识，理解地质、生态规律。

总结：成为"大地之神"的技术路径

1. 基础：掌握Height Field与LOD原理
2. 几何：实现Quadtree + GPU Tessellation，处理T Junction
3. 材质：Texture Splatting + Virtual Texture
4. 动态：GPU Driven Deformable Terrain
5. 精度：Camera Relative Rendering解决大空间问题
6. 生态：整合SpeedTree、Decorator、Road、Decal系统
7. 未来：探索Volumetric Terrain与Marching Cubes

参考信息

• 游戏中地形大气和云的渲染(上) | GAMES104-现代游戏引擎：从入门到实践