[unity] 实现大地形渲染之 geometry clipmap

FeastSC · 发表于 2022-3-16 09:25

--------------------------------------------------更新中---------------------------------------------------
最近希望在unity中实现一个简单的geometry clipmap，用于飞行模拟游戏中巨大地形的渲染。但是网上冲浪之后发现资料有点少，只好一点点从头做起。那么就用本文记录一些个人比较迷惑的地方，作为我的备忘录和经验分享吧。
参考资料：GPU Gems 2, geometry clipmap 原始论文
算法整体框架

Per-frame algorithm

从论文中可以清晰得知，算法需要三个步骤：计算active region（我们希望渲染的地形范围）；更新geometry clipmap（多级地形纹理/贴图）；裁剪渲染范围至贴图范围，并进行渲染。
代码解读

Upsample（上采样）

算法通过对较粗糙的高度图纹理进行插值来获取分辨率更高（一级）的高度图。
不过在gpu gems提供的示例代码中，为了实现不同类型坐标的插值计算，这个算法写的比较绕，它的pixel shader是这样的：
float4 UpsamplePS(float2 p_uv : TEXCOORD0) : COLOR
{
float residual = tex2D(ResidualSampler, p_uv*OneOverSize);

p_uv = floor(p_uv);
float2 p_uv_div2 = p_uv/2;
float2 lookup_tij = p_uv_div2+1;
float4 maskType = tex2D(LookupSampler, lookup_tij);

matrix maskMatrix[4];
maskMatrix[0] = matrix(0, 0, 0, 0,
                        0, -1.0f/16.0f, 0, 0,
                        0, 0, 0, 0,
                        1.0f/256.0f, -9.0f/256.0f, -9.0f/256.0f, 1.0f/256.0f);

maskMatrix[1] = matrix(0, 1, 0, 0,
                        0, 9.0f/16.0f, 0, 0,
                        -1.0f/16.0f, 9.0f/16.0f, 9.0f/16.0f, -1.0f/16.0f,
                        -9.0f/256.0f, 81.0f/256.0f, 81.0f/256.0f, -9.0f/256.0f);

maskMatrix[2] = matrix(0, 0, 0, 0,
                        0, 9.0f/16.0f, 0, 0,
                        0, 0, 0, 0,
                        -9.0f/256.0f, 81.0f/256.0f, 81.0f/256.0f, -9.0f/256.0f);

maskMatrix[3] = matrix(0, 0, 0, 0,
                        0, -1.0f/16.0f, 0, 0,
                        0, 0, 0, 0,
                        1.0f/256.0f, -9.0f/256.0f, -9.0f/256.0f, 1.0f/256.0f);

float2 offset = float2(dot(maskType.bgra, float4(1, 1.5, 1, 1.5)), dot(maskType.bgra, float4(1, 1, 1.5, 1.5)));

float z_predicted=0;
offset = (p_uv_div2-offset+0.5)*OneOverSize+TextureOffset;
for(int i = 0; i < 4; i++) {
      float zrowv[4];
      for (int j = 0; j < 4; j++) {
            float2 vij = offset+float2(i,j)*OneOverSize;
            zrowv[j]    = tex2D(CoarseLevelElevationSampler, vij);
      }

      vector mask = mul(maskType.bgra, maskMatrix);
      vector zrow = vector(zrowv[0], zrowv[1], zrowv[2], zrowv[3]);
      zrow = floor(zrow);
      z_predicted = z_predicted+dot(zrow, mask);
}

z_predicted = floor(z_predicted);

// add the residual to get the actual elevation
float zf = z_predicted + residual;

// zf should always be an integer, since it gets packed
//  into the integer component of the floating-point texture
zf = floor(zf);

float4 uvc = floor(float4((p_uv_div2+float2(0.5f,0)),
                           (p_uv_div2+float2(0,0.5f))))*OneOverSize+TextureOffset.xyxy;

// look up the z_predicted value in the coarser levels
float zc0 = floor(tex2D(CoarseLevelElevationSampler, float4(uvc.xy, 0, 1)));
float zc1 = floor(tex2D(CoarseLevelElevationSampler, float4(uvc.zw, 0, 1)));

float zf_zd = zf + ((zc0+zc1)/2-zf+256)/512;

return float4(zf_zd, 0, 0, 0);
}这个LookupSampler（texture）和maskMatrix比较魔法，在此分析一下。
我们在上采样时要从粗糙lv0的高度图（方框）插值计算出更精确一级lv1的高度图（圆圈），它们之间的关系如图所示。为了方便起见，假设我们的uv坐标是一个单位对应一像素（注意在lv0中坐标细分为0.5），那么lv1在lv0中的坐标有4种类型：

和上一级重合：（0，0）

在两个像素中央：（0，0.5)，（0.5，0）

在四个像素中央：（0.5，0.5）

两个等级的高度图

那么通过权重为（-1/16, 9/16, 9/16, -1/16）的四点法插值

A 4-point interpolatory subdivision scheme for curve design

这四种类型的坐标的计算方式分别需要1、4、4、16个点的数据，如下图不同颜色的方框所示。

采样数据范围

比较直观的插值公式如右侧的矩阵所示，直接对最大范围的16点数据与权重（方便起见省去了分母 /256）进行点乘即可。但是因为gpu不便处理分支语句，gpu gems里使用循环+额外的一张2*2控制纹理来实现算法，这些权重矩阵则被拆散进了maskMatrix中（如左侧所示）。比如右侧矩阵1的第一行在左侧矩阵4的第一行（这里为了和图片对应，行坐标颠倒了），而其第二行则在左侧矩阵3的第一行，第三行在左侧矩阵2的第一行......依次类推。控制纹理中则简单地记录了4个one-hot向量：

(1,0,0,0)：对应坐标类型（0，0）

(0,1,0,0)：对应坐标类型（0，0.5）

(0,0,1,0)：对应坐标类型（0.5， 0）

(0,0,0,1)：对应坐标类型（0.5，0.5）

Ylisar · 发表于 2022-3-16 09:26

好奇为啥这么搞不会在每一级边缘处出现明显裂缝…无缝的搞法不是用细分那套算法吗

DomDomm · 发表于 2022-3-16 09:32

会有t junction的，不过高度图有过渡区

super1 · 发表于 2022-3-16 09:36

这个用瞄准镜的时候怎么处理，不处理会有空气墙，处理了又怕性能爆炸

		自动登录	找回密码
密码			立即注册

[unity] 实现大地形渲染之 geometry clipmap

本帖子中包含更多资源