LOD地形渲染技术概述

参考文章
http://blog.sina.com.cn/s/blog_5e3213f30100zxet.html LOD技术简述
http://blog.sina.com.cn/s/blog_458f87120100q9eg.html LOD技术概述
http://my.oschina.net/u/997451/blog/122649 LOD裂缝问题解决方法
http://blog.csdn.net/baozi3026/article/details/5732989 ROAM实时动态LOD地形渲染
http://www.gulu-dev.com/post/2014-11-16-open-world 开放世界大地图使用的技术

LOD基本思想

由于大的地形绘制需要在短时间内处理上亿个三角形，其实时绘制要求仍然是飞行仿真、数字娱乐等虚拟现实应用中的一个难点。尽管近年来硬件技术飞速法阵，显卡的性能指标已经有很大的增长，但是仍旧不能满足大地形的实时绘制要求，比如在进行飞行模拟的时候，要穿越一个km为单位的地形，每个网格都用三角形绘制，则此时就算是再好的显卡在每秒至少24帧的要求下也不能进行实时的处理，所以多分辨率技术（Multi-resolution）就此诞生。

多分辨率网格简化技术/细节层次模型技术（LOD技术），引入“分而治之”的思想，根据地形的不同复杂程度和人眼观察地形的特点，对地形的不同区域采取不同细节的描述和绘制。采用LOD技术绘制地形，在不降低表现效果的前提下，可以尽量减少三角形的数量，以提高图形绘制效率，实现地形的实时交互可视化，通俗具体讲就是将一块地形划分为无数小块区域，对于离视点越近的区域，或者该区域地形越复杂（起伏大，如山区），绘制的三角形数目越多，地形描述精度越高；对于离视点越远的区域，或者该区域越平坦，绘制的三角形数目越少，地形描述精度越低。总结起来就是“近实远虚”。

Lindstrom等人于1996年提出了基于四叉树的连续细节层次模型（Continuous level of Detail）的构建算法，是基于规则格网类的具有代表性的研究成果之一。算法的“连续”特性包含了3个意思：

1. 帧更新时，地形表面保持连续性，即“时间的连续性”；
2. 不同分辨率的地形分块之间保持连续性，没有裂缝，即空间连续性；
3. 算法的实时构网能力很强，以保持较高的屏幕刷新率。

高度数据存储和获取

可以下载专门的高程数据，通过读取文本的方式读进内存然后建立顶点缓存和索引缓存。
更加通用的方法是通过高度图读取实现高度数据存储的。高度图可以用ps或者专业的软件制作。在专门的游戏引擎中有个专门的地形编辑器，直接刷地形。

节点评价系统

为了更好的对顶点进行优化，我们把LOD地形分为若干节点，划分节点的数量与大小就要通过一套节点评价系统来决定。为了使细节可以根据要求来进行细化，所以使用树的方法来实现节点的分割，常用的方法有四叉树和二叉树分割，在本篇文章里使用的是四叉树分割.

由于采用四叉树的分割方式，当节点最大限度分割时，其数目应该与地形尺寸相匹配，及(TerrainSize+1)*(TerrainSize+1)，这也是为什么要求地形尺寸一定要为2n+1。
为了更加清楚的描述算法的思想，对三维地形有如下的要求：

• 地形必须是一块正方形区域nxn；
• 地形顶点数量必须是（2^n+1）X（2^n+1）

一个四叉树节点需要包含顶点信息，顶点的数目与该节点的邻接节点有关，为了方便分割，顶点数目设为9个，结构如图

0顶点为中心点，1、2、3、4点为角点，5、6、7、8为边点，顶点和角点是固定的，顶点数量的变动时指边点数量的变动如图

想象一下，节点分割的次数越多，地形就越精细，但是计算量也就越大，所以需要针对地形复杂区域的节点进行分割，较为平坦的地形则进行较少的分割。
节点分割的评价系统大致分为两个部分

• 第一是节点到观察点的距离
• 第二是计算节点区域复杂度

节点离观察点越近分割次数越多，根据第一条评价原则，总结出第一条评价公式：
L/d < C1
L为顶点到观察点的距离，d该节点的长度，C1为自定义的常量，C1的值越大顶点分割次数越多

节点区域地形越复杂，分割的次数就越多，根据第二条评价原则，总结出第二条评价公式：
L/r < C2
首先获取到顶点h0到顶点h4的高度，如果该节点分割则还要获得子节点的高度h5到h8，然后依次比较各高度值，取出最大值Max，与最小值Min，r = Max-Min。

综上所述将评价公式1和评价公式2合并起来：
L/(d×r) < C1×C2
变形得到最终公式：
f = L/(d×r×C1×C2) < 1
当满足f < 1时则判断该节点需继续分割。

对节点判断是否分割之后，我们需要存储这个分割信息标志，我们设一个类型为bool[][]类型的数组变量QuadMat，数组的长度应该与节点的数目一致，即QuadMat[TerrainSize+1][TerrainSize+1]，存储方式如图，由下图也可看出为何顶点数目以及其高度数据HeightDate的大小也是(TerrainSize+1)*(TerrainSize+1)。

视锥及裁剪

在LOD地形中还有一项很重要的减少绘制顶点的方法，那就是对摄像机之外，那些我们观察不到的区域的顶点进行裁剪。这里说的裁剪并不是D3D里所说的裁剪，而是针对节点划分的控制，对于那些我们无法观察到的节点就将其分割信息设置为false。

关于frustum culling这里不赘述。

节点的渲染

在节点的每条边上是否有边点主要取决于相邻节点是否进行了分割，然而相邻节点既包括自身友节点(同一父节点分割出的四个节点层次为n)和父节点的友节点(层次为n-1)，进行判别的时候也要把这两种情况区分开。如图所示红色区域的节点，蓝色的顶点代表通过判断父节点的友节点而增加的边点，红色的顶点点代表通过判断自身友节点而增加的边点。使用边点的作用在于增加节点面数，以避免邻节的不同层次衔接之间出现接缝。
根据节点中顶点的分布特点，采用扇形绘制三角面，如图，directX3D和OpenGL里面都包括这种绘制方法。（其实也可以用普通二维遍历索引渲染）

节点渲染的顺序采用递归的方法深度优先遍历整个四叉树的节点，遍历到子叶就进行渲染，判断该节点是否为子叶的标志就是观察该节点的分割信息为false。

LOD存在的问题及解决方法

裂缝问题

通常我们把节点看做一个四叉树，根据分割层次的不同，节点的尺寸也不同，这样一层一层的分割下去直到分割的极限尺寸

裂缝产生的原因是左侧节点在交点B处的高度值来自原始准确数据，而右侧节点的Level比左侧的低，在交点B处的高度值是A和C的平均值。这样，同一点在相邻的两个节点之间的高度差便会产生三角形裂缝。

两种技术可以解决裂缝的初级问题：
1） 边删除技术
边删除技术在Level较高的节点T型裂缝处删除一条边这样把两个相邻的三角形合并成为了一个。如图中所示，要解决裂缝问题，共需要删除3条边，删除边之后的网格如图所示

2） 边插入技术，就是在Level较低的节点内部添加一条边，这样就把一个三角形分割成两个

然而，要避免T型裂缝现象，仅仅依靠边删除或者边插入技术是不够的，地形网格还需要满足一个条件：相邻两个节点之间的Level差值不能大于或者等于2.这时候边删除是无能为力的，采用边插入技术将使得算法变得过于复杂，不易实现。

解决办法：当两个相邻节点之间的Level之差大于1的时候，强制把Level较低的节点分裂成4个子节点

另外，cryengine里面的做法是

预先在不同level的网格周围都空出一行和一列专门用于连线消除裂缝，如图所示连接。

突起问题

当视点移动的时候，地形网格不断更新，当节点Level发生变化的时候，地形中的某点会由一个高度突然跳变到另一个高度，这种称之为“突起”现象（Poping-up）。在地形漫游系统中，“突起”现象给人 一种不真实的感觉。为消除这种不自然的行为，引入了一种”形变“算法。形变的含义是，当节点从一个Level过渡到另一个Level的时候，其中某点平稳缓慢地从一个高度过渡到另一个高度。形变虽然没有本质上消除地形高度变化，但这种“缓变”往往肉眼难以察觉。
关于解决突起的LOD算法，可以查阅相关论文，比较多。