3D地形多层纹理混合加阴影渲染方法

原文作者：Dolaham
原文链接：
http://bbs.gameres.com/showthread.asp?threadid=14941
http://bbs.games.sina.com.cn/?h=http%3A//bbs.games.sina.com.cn/g_forum/00/90/07/view.php%3Ffid%3D11054%26tbid%3D2345&g=15

地 形由于十分庞大，需要大量顶点，所以往往占用很多内存空间，那么就应该在地形贴图上想办法节约空间。很多游戏的地形，虽然看上去不同地点的纹理好像互不相 同，地表纹理十分丰富，但其实真正用的贴图是很少的，之所以还能产生地表纹理变化多端的视觉效果，是因为使用了Alpha混合和阴影，从而产生一种错觉。 2.5D的网络游戏《奇迹》（MU）、全3D引擎Torque（多人联网FPS游戏《部落2》即使用此引擎）、全3D的滑雪游戏《极限滑雪》 （Supreme Snowboarding），都是这么做的。

我对此设想了一个解决方案。需要用到顶点的Diffuse颜色、3个 TextureStage。其实所谓的多层纹理，具体到一个三角形上的时候，很多游戏只用了2层纹理来做Alpha混合（因为也许玩家的显卡只支持2层 MultiTexture混合），然后再一层光照纹理。前2层纹理要做Alpha混合，Alpha来自哪里？若使用Alpha贴图，就必然再增加一层 TextureStage，而我选择使用顶点的Diffuse就可以省掉这一层TextureStage：由Diffuse的Alpha通道提供 Alpha值供前两层TextureStage混合使用。下面是在D3D中的设置：

// TextureStage 0
pd3dDevice->SetTextureStageState( 0, D3DTSS_COLOROP,   D3DTOP_SELECTARG1 ); 
pd3dDevice->SetTextureStageState( 0, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE );
pd3dDevice->SetTextureStageState( 0, D3DTSS_ALPHAOP,   D3DTOP_DISABLE );

// TextureStage 1
pd3dDevice->SetTextureStageState( 1, D3DTSS_COLOROP,   D3DTOP_BLENDDIFFUSEALPHA );
pd3dDevice->SetTextureStageState( 1, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_TEXTURE );
pd3dDevice->SetTextureStageState( 1, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_CURRENT );
pd3dDevice->SetTextureStageState( 1, D3DTSS_ALPHAOP,   D3DTOP_DISABLE );

在TextureStage 0， 什么也没做，把第一层纹理原封不动的留给TextureStage 1；在TextureStage 1，COLOROP使用 D3DTOP_BLENDDIFFUSEALPHA，也就是使用来自顶点Diffuse的Alpha值作为混合因子混合第2层纹理和 TextureStage 0原封不动留下来的第1层纹理。混合公式如下（来自DX帮助文档）：
Result = Arg1 * Alpha + Arg2 * (1 – Alpha)
Arg1是来自第2层纹理的颜色，Arg2是来自TextureStage 0原封不动留下来的第1层纹理的颜色。并且，这里的Alpha值是D3D插值运算后得到的，因此混合效果很平滑。

你不相信2层纹理混合就能得到丰富的地表视觉效果吗？你应该相信，因为虽然Arg1和Arg2总是恒定不变的来自2个贴图，因此对三角形上的同一点来说，这两个是常量，但Alpha值却是个变量，Alpha值取不同的值就会产生不同的Result。

假 设与Arg1相对应的贴图是一个草地的贴图，与Arg2相对应的贴图是一个沙地的贴图，在一片地形区域内，仅使用这两张贴图，但是由于各顶点的 Diffuse的Alpha值不同，你会看到最终渲染出来的这片地形区域，草地的分布并不均匀，有些地方草的样子多一些，有些地方沙的样子多一些。这种效 果看上去已经很自然了。

当然并不限制你在一个地形场景上使用更多的地表纹理，但是对一个三角形来说，2张纹理已经足够，其它纹理请用在其 它三角形上吧，这可以产生更丰富的地貌。比如你想让另一片地形区域是雪地和岩石的风格，那么在那片区域上就使用1张雪地贴图、1张岩石贴图。现在这个关卡 里面共有4张贴图了，但同一个三角形仍然只使用2张贴图（这是硬件的限制啊！！）。

现在来说阴影。前面已经使用了顶点Diffuse的Alpha通道，现在他的RGB三个分量也要派上用场了。在D3D中设置如下：

// TextureStage 2
pd3dDevice->SetTextureStageState( 2, D3DTSS_COLOROP,   D3DTOP_MODULATE );
pd3dDevice->SetTextureStageState( 2, D3DTSS_COLORARG1, D3DTA_DIFFUSE );
pd3dDevice->SetTextureStageState( 2, D3DTSS_COLORARG2, D3DTA_CURRENT );
pd3dDevice->SetTextureStageState( 2, D3DTSS_ALPHAOP,   D3DTOP_DISABLE );

这是第3个TextureStage，COLOROP为相乘，Arg1设为Diffuse，是来自经过D3D插值运算的顶点Diffuse颜色，Arg2是Current就是TextureStage 1产生的结果。混合公式如下：
Result = Arg1 * Arg2
颜色虽是RGB三个字节（或者其它颜色格式），但D3D会将它们拆成单独的3个RGB通道值（0-1之间的浮点数）。相乘运算可以贴上彩色的光影效果。

有 一个问题是，人们当初选择使用光照图就是为了能够提高光影的精确度，因为顶点光照只作用于顶点，虽然渲染API会在顶点之间做插值，但这也只在顶点很密集 的时候才会有很精确的光照，如果定点很稀疏甚至不能产生正确的光照效果。这里使用顶点Diffuse，会不会也得不到令人满意的光照效果呢？

我 想过使用一整张光照图铺在整个地形上，但我忽然想起这与基于heightmap的地形生成技术面临一个同样的问题，精度。使用heightmap，为了减 小游戏体积，这个heightmap不可能很大，不可能每一个高度点只对应一个顶点，而是多个顶点被映射到同一个高度点上去了。一整张光照图也面临同样的 问题，也许多个顶点使用光照图上的同一个像素呢？如果两个顶点用的是光照图上的同一个像素，那顶点之间的空间也肯定是用这个像素点了，这样是不会提高精度 的。把光照图的尺寸增大？那是选择512*512呢，还是1024*1024？

而实际上，LOD地形的顶点总是很密集的。至少在靠近照相 机的区域是这样的，往往比室内建筑的顶点还要密集。虽然还没密集到可以让D3D的聚光灯产生满意效果的地步，但已足够使用顶点光照模拟地形因高低起伏而产 生的阴影效果。何况业界普遍认为地形渲染的精度是低于室内渲染一个档次的（新游戏FarCry是个例外）。

更妙的是，顶点光照信息可以存储在高度图里，我们把高度点从一个unsigned char改为一个多字节的数据结构：

struct HeightPoint
{
  unsigned char height;  // 用于计算定点的Y坐标值，用于渲染地形高度起伏
  unsigned char alpha;  // 定点diffuse的alpha，用于多层纹理混合
  unsigned char red;  // 顶点diffuse的red，用于光照
  unsigned char green;;  // 顶点diffuse的green，用于光照
  unsigned char blue;  // 顶点diffuse的blue，用于光照
};

这样高度图信息不仅包含高度信息，也包含多层纹理混合信息、光照信息。当动态创建地形的时候，在读取高度数据的同时也能得到与该顶点对应的diffuse值，非常方便。
下面是用DX自带的MFCTex程序验证理论。3个TextureStage正是使用上面所说的设置方法。

 
env2.bmp是一个砖墙的贴图，caust11.tga是一个水面波纹的贴图，env3.bmp没有被使用。Diffuse颜色是0x77ff0000，是纯红色，但alpha值为119。

Stage0 把env2.bmp的图像数据原封不动的保留给Stage1。Stage1的COLOROP使用D3DTOP_BLENDDIFFUSEALPHA的方 法，以diffuse的alpha值（119 => 0.53）为混合因子混合caust11.tga和env2.bmp，公式是： ResultOfStage1 = caust11.tga * 0.53 + env2.bmp * (1 – 0.53)，得到的视觉结果是我们既能 看到砖墙又能看到水面波纹，他们被半透明的混合起来了。Stage2使用相乘，把diffuse的RGB三分量与ResultOfStage1 （Current就是ResultOfStage1）上对应点的RGB三分量乘起来，由于diffuse的RGB是ff0000纯红色，完全没有 green和blue分量，所以这次得到的视觉结果是整个墙壁偏红色。这样我们就产生了墙壁上被投上了水面折射的波纹，而整个墙壁又被一片红光照亮的效 果。

下面来看看Torque引擎、《极限滑雪》的地形贴图渲染效果。

首先是Torque。Torque引擎的Demo所 使用的纹理文件都没有打包，所以我很容易找到这些文理，用Photoshop给它们画上标记，再到游戏中看他们是如何被混合、以及怎样贴到地面上去。这个 Demo只用了3张地形纹理：1个grass.jpg，1个sand.jpg，1个patchy.jpg。每张纹理我先用红色粗线条勾出它的4条边，再在 左上角和右下角用写上它的文件名，我还给它们写上中文译名，grass.jpg是“草”，sand.jpg是“沙”，patchy.jpg是“稀疏的草 地”。来看截图：


每 张地形纹理都是256*256的，从空中这个角度看，每张纹理都被映射到地形上一个相当大的方形区域，所以镜头贴近地面的时候，会变得很模糊，但 Torque会在这时贴上细节纹理（参见后面的截图），一个叫detail1.png的图片文件（还是只有1张，但效果很好），这是另一个技术了，在此不 表。图中，凡是黄色区域都来自sand.jpg。我们看那个左边有“稀疏的草地”的方形区域，这个区域用的是patchy.jpg和sand.jpg两张 纹理混合的，“地”字就刚好位于混合边界，所以模糊了。混合因子不是顶点diffuse的alpha吗？所以这个区域里面，要有更多的顶点，没问题， Torque使用四叉树来创建地形，这个方形区域里面被细分为更小的方形区域，而且不是平衡的（LOD技术），所以有足够的顶点，同时看上去混合边界是扭 曲的。这个Demo可以切换为线框渲染模式，我好好观察了那些顶点的分布，确实跟Alpha混合的分布相一致。再来一张截图：


从这个截图里面看出，阴影的存在确实起到了丰富视觉效果的作用。看左边那个方形区域，几乎全是沙地，但有阴影的存在，效果就好多了。你可能觉得它的阴影很细致，但别忘了这是一个全3D的FPS游戏，我是在很高的空中俯拍的。

另 一个游戏《极限滑雪》，这是欧洲某个国家制作的商业游戏。虽是商业游戏，它的纹理文件也没有打包，赤裸裸的jpg、tga，所以我把这些纹理都替换为只有 一个颜色的图片，再勾勒出图片的四条边，打上文件名。由于是个滑雪游戏，所以场景中最常见的颜色就是白色了，所以大范围内只使用同一张纹理用得理直气壮。


当然要加上阴影，不然真的会灼伤玩家的眼睛呢。有了阴影，效果好一些了。再加上彩色的光影，还蛮令人着迷的，看图：


游戏中的山头和公路都需要别的纹理来混合。


看图6的阴影，尤其是左边的，有较为明显的梯级，右边的呈矩形，应该是那棵树的影子，但却很涣散，很不对劲，跟顶点光照的效果十分相像，可能是场景编辑器把计算出来的影子信息存储到顶点的diffuse中去了。
这个游戏的雪地纹理只有2张，另一张出现的频率较小。

附：Torque的细节纹理


Dolaham的修正：
我 重新观察了一下Torque引擎Demo的地形，发现在他在一个方块内最多用了3张贴图。这3张贴图就需要3个Texture Stage，再加上2个提 供Alpha值的Stage，总共就是5个Texture Stage。这对显卡要求太高，至少我的显卡只支持4个Texture Stage。那么就必 须使用MultiPass了，多遍渲染。这篇文章说的把Alpha信息存储在顶点Diffuse里面的方法，还是值得考虑的。因为如果是用Alpha图的 话，Alpha图总会被拉伸得很厉害，使得地形上不同贴图之间仍然不能自然过渡。除非你的地形有更大的区域概念，对一个区域使用一张Alpha图，这可能 会解决Alpha图被过度拉伸的问题。不然，你只使用全局唯一的一张Alpha图的话，将很难收到理想的效果。
由顶点的Diffuse提供 Alpha有一个好处，那就是D3D会做插值运算，这样就不会让某一点的Alpha扩展成斑块，因为它扩展出来的新值会被D3D插值运算的。那么要实现 Torque那样的最多支持3张纹理混合，同一个地形就需要2份Diffuse。可以考虑使用多流的技术，让Diffuse数据作为一个单独的流。