KlayGE 4.4中渲染的改进（三）：高质量无限地形

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本系列的上一篇讲了DR中的一些改进。本篇开始将描述这个版本加入的新功能，高质量地形。

原有的地形

以前的地形实现和水面的方法一样，都是从Crytek在2008年的老方法改进而来。虽然比projected grid的好得多，并且速度很快，但有一些很明显的缺点：

1. 视点移动的时候会抖动。水面比较平，而且有波浪看不出抖动。如果用来做静态地形抖动就会非常明显。尤其是far plane变大之后，远处更明显，所以限制在3000以下。
2. 不支持shadow。因为只有产生了视野内的三角形，视野外的地形无法正确投出shadow。
3. 顶点密度较低，无法表达精细的地形。原先的方法三角型分布接近于screen space，不足以很好表达地形。

这个抖动的消除可以靠snapping操作，每次更新height map的时候都保证原来的像素中心仍然落在新的像素中心上。这样每个顶点在视点移动后仍然会去到同样的值。

Clipmap

Clipmap也不是什么新东西了，最早出现于1998年。当时还是用CPU做几何生成和提交。2004年MSR的一篇Geometry Clipmaps: Terrain Rendering Using Nested Regular Grids把clipmap带到了GPU时代，GPU Gems 2的第二章就是这篇paper的缩写版本。通过在GPU上维护一个以视点为中心逐级递减的一系列几何块，依靠GPU的强大处理能力，过度细分的地形也能实时渲染。用这种方法，远处的三角形密度仍然较大，所以可以很容易的把far plane推到5000-8000。

但是，即便是2004年的方法，也已经过去了将近10年。当时的SM3能VTF，却不能改变几何拓扑。在实际使用中，这个方法的开销还是比较大的。而且由于不同层次之间的三角形密度一定是2倍的关系，难免还是会有看得见的层次跳变。

Tessellation

（这里的实现是从NVIDIA Direct3D SDK 11的一个例子改进而来）

DX11的GPU都支持tessellation，而且效率不低。这里对clipmap很自然的改进就是加入硬件tessellation支持，把细分的任务转到GPU里做。这样CPU端直需要提交比较稀疏的几何，在GPU里通过视点距离等因素计算tessellation level就可以了。而且，DX11要求GPU支持基于浮点的细分。三角形不但可以分整数次，还可以分任意的浮点数次。这么一来，就能让细分层次连续变化，层次跳变问题就彻底解决了。

如果检测到GPU不支持tessellation，就会退回到原先的clipmap方法。这时候需要处理不同层次之间的接缝问题。因为在连接处顶点密度不同，如果不处理的话，就会出现许多小的空洞。这个问题由团队成员孙文全解决了，方法是调整较密层次的顶点，在shader里面手工插值，得到和较稀疏层次同样的height。这么做虽然没有在拓扑上达到无缝连接，但GPU的精度足以保证空洞基本都会小于一个pixel的大小。所以视觉上看不到空洞了。

Procedural

在Texturing and Modeling: A Procedural Approach这一巨作中，有详细介绍如何用分型的方式生成地形。这个方法也可以顺利地移植到GPU，在生成height map的时候使用。如果参数合适，生成的结果很像自然的风景，有崇山峻岭也有平原低地。height map以视点为中心，加上snapping的修正，得到视点周围一定面积的所有高度场。这个height map可以进一步用来计算gradient map，在渲染的时候作为normal使用。以视点为中心，所有方向都有几何也保证了可以轻松地使用原有的shadow map系统，包括CSM在内。

加上细节

有了tessellation之后，height map里的信息只负责大体形状。顶点密度远大于height map的情况下，加上个noise就有意义了。normal上也可以用同样的方法加上像素级别的细节。有了这些之后，tessellation的能力就能全部显现出来了。并且可以根据GPU能力连续地调节细分的程度和细节的多少。

在不支持tessellation的平台上，这个细节就只能加到normal上。视觉效果也不差。

综合一下，加入水体、light shaft、SSR等效果之后，可以发现新的地形系统可以很容易兼容于原有deferred框架的其他组件。

本篇专注于新实现的高质量地形。下一篇仍会将一个新的渲染效果，屏幕空间次表面散射。